（光学工程专业论文）车辆用五相半波可控整流稳压式永磁发电装置的研究.pdf

山东理- t 大学硕上学位论文 摘要 摘要 目前车辆采用的三相交流发电机由电励磁绕组产生磁场，通过电励磁绕组的电 能只有部分转换为用于发电的磁能，大部分电能由于励磁绕组发热而消耗掉， 电能利用率低，而且三相波形还不够平稳，因此研制一种高性能的永磁五相发电机十 分必要。 本文通过对永磁发电机的转子结构进行比较、分析，确定采用通过非导磁螺钉把 极靴和磁钢固定在转子铁芯上的径向永磁转子结构。通过分析永磁材料特性对发电机 性能的影响规律，确定选用钕铁硼稀土永磁材料。根据永磁发电机的设计理论，对发 电机的结构参数、性能参数进行了设计计算。利用等值磁路法对发电机的磁路进行分 析，并对各部分磁导和磁通进行计算，并在此基础上推导出一种计算电枢反应电抗的 新方法，提高了永磁发电机参数计算的准确度。研制出了由基准电路、比较电路、触 发电路、整流电路组成的五相半波可控整流稳压器，采用五只可控硅代替传统交流发 电机的六只二极管组成的整流桥，实现稳压直流输出，减少了电能消耗，提高了发电 效率。通过试验分析，该电路稳压性能良好，解决了车辆用永磁发电机宽转速、宽负 载范围内的输出电压不稳定的问题。 研制出了一台无电励磁绕组、无碳刷滑环、故障率低，集整流、稳压于一体的五 相半波可控整流稳压式永磁发电机，该机性能指标达到了设计要求，并优于国家机械 行业标准。 关键词：钕铁硼稀土永磁，发电机，径向励磁，五相半波，整流稳压 山东理工人学硕i：学位论义abstract a b s t r a c t t h ee l e c t r i c i t y e x e c t i n gw i n d i n gg e n e r a t e dm a g n e t i c f i e l di n t h r e e - p h a s e a l t e r n a t o rf o rv e h i c l e sa tp r e s e n t ，b u tal i t t l ee l e c t r i ce n e 唱yw h i c ht h ec u r r e n tp a s s e s t h r o u 曲e x c i t a t i o nw i n d i n gc 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 p b e c a u s eo fh e a t t h eu t i l i z a t i o no fe l e c t r i ce n e r g yi sl o 、s oi ti sn e c e s s a r yt od e v e l o p ak i n do ff i v e - p h a e sp 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 hh i g hp e r f o r m a n c e b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a “s o no fr o t o rs t r u c t u r e ，r a d i a lp e r m a n e n tm a g n e t r o t o rs t r u c t u r ew i t hb o o t sa n dam a g n e tf i x e do nt h ec o r eu s i n gn o n l 订a g n e t i cs c r e wi s a d o p t e d b ya n a l y z i n ge f f e c t so ft h em a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c so fp e r m a n e n tm a g i l e tt o g e n e r a t o r sp e r f o r m a n c e ，n d f e br a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l si sd e t e m l i n e d b a s e do nd e s i g nt h e o r yo fp e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o r s ，s t r u c t u r a lp a r 锄e t e r sa n d p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fg e n e r a t o r sa t ed e s i g n e da n d c a l c u l a t e d t h em a g n e t i cp a t h o fg e n e r a t o ri sa n a l y s i s e du s i n ge q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i tl a w ，p e r m e l b i l i t ya n d m a g n e t i cf l u xa r ec a l c u l a t e d ，a n do nt h eb a s i so ft h i san e wm e t h o do fc a l c u l a t i n g a r m a t u r er e a c t i o nr e a c t o ri sd e d u c e d ，t h ea c c u r a c yo ft h ep a r a m e t e r sd e s i g no f p e 订n a n e n tm a g n e tg e n e r a t o r si si m p r o v e f i v e p h a s eh a l f w a v ec o n t r o l l e d c o n h n u t a t i o n v o l t a g es t a b i l i z a t i o nc i r c u i tw h i c h i sc o m p o s e do fb e n c l l i l l a r kc i r c u i t ，c o m p 2 u r e dc i r c u i t ， t r i g g e rc i r c u i t ，r e c t i n e ri sd e v e l o p ，f i v es c r i n s t e a do ft h er e c t i f i e rb r i d g ec o n l p o s e d0 f t h es i xd i o d ei nt r a d i t i o n a la l t e m a t o r ，d co u t p u tv o l t a g er e g u l a t o ri sa c h i e v e dp o w e r c o n s u m p t i o nr e d u c e da n dt h ee f n c i e n c yo fp o w e rg e n e r a t i o ni m p r 0 v e d t h r o u g ht h e t e s t ， r e g u l a t o r sp e r f o r m a n c eo ft h ec i r c u i i ni ng o o dc o n d i t i o n ， t h ep r o b l e m st h a t p e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o r sf o rv e h i c l eo u t p u tv o l t a g ei n s t a b i l i t yi su n s t a b l ei ss o v e d w i t hw i d e s p e e d ，w i d e 一1 0 a dr a n g e a f i v 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 es t a b i l i z a t i o np e r m a n e n t m a g n e tg e n e r a t i n gs e tw i t h o u te 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 l i pr i n gs e ta 1 1 d l o wf 萏u l tr a t e ，a n ds e t t i n gr e c t i f i e r a n dt h er e g u l a t o ri no n ei sd e v e l o p e d ，p e r f 0 m a n c e i n d i c a t o r sr e a c h e sd e s i g nr e q u i r e m e n ta n dh a sa na d v a n t a g eo fm e c h a n i c a ls t a n d a r d k e y w o r d s ： n d f e br a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e t ，g e n e r a t o r ，r a d i a le x c i t a t i o n ， f i v e p h a s eh a l f ：w a v e ， r e c t i 疗e rr e g u l a t o r i i 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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：张少i 景 时间： d 符多月，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) 时阃：谬年占只f 譬日 时间：矽扩年多月一日 山东理工大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题的意义 第一章绪论 我国汽车工业经过了几十年的发展之后，最近几年已经进入了高速发展的时期， 据统计，2 0 0 7 年我国生产汽车8 8 8 2 4 力辆，年增长2 1 0 2 ，比上年净增1 6 0 2 7 万 辆，至此，中国已经超过德国，仅次于美国、日本，成为世界第三大汽车生产国。汽 车产量中轿车产量为4 7 2 7 万辆，增长2 3 4 6 ，年度增幅较耐1 1 。 由此可见，在汽车工业发展的同时，汽车用发电机也会得到长足的发展。然 而，随着去年以来的石油高速涨价，还有全球环境问题同益严重，作为日常交通工具 的汽车必须做很多方面的改进，例如排放方面，动力方面，当然在发电机方面也要做 改进，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，转 子的励磁绕组易烧毁、断线、消耗电能多，而且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结构，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。 于是，许多科技工作者对发电机有了另一种思路一永磁发电机。在我国，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k g 以上，平均售价在1 7 9 美 元k g ，同本市场钕铁硼永磁体价格高达2 2 0 2 5 0 美元k g ，而在我国钕铁硼永磁体 价格仅为3 0 美元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【2 】例。 针对这种情况，我校已经研制了三相永磁发电机，并且技术已经相当成熟，但 是随着现代汽车技术的发展，要求发电机的容量越来越大，性能越来越高，然而汽车 为发电机提供的尺寸有限，因此要求发电机必须功率密度大，高效节能，可靠性高， 使用方便。即使现在的硅整流发电机普遍采用内装调节器，无刷或内装双风扇，但还 是应用了三相发电机，不能很好的满足现代汽车的要求。而五相发电机可以改进三相 发电机的这些缺点。 山东理_ t 大学硕：i ：学位论文 第一章绪论 视。 1 2 2 国外研发现状 国外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【4 1 。所以目前主要采用外置碳刷滑环结构，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。在永磁发电机方面只是研究三相永磁发 电机，研究多相永磁发电机的较少。 1 2 3 永磁发电机优点 ( 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 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lo l5 。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15 2 0 。 图1 1 发电机效率特性曲线 ( 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 3 山东理工人学硕士学位论文第一章绪论 轴电枢反应电抗四；黧魏驯粥塑墓鬟霉；溺 薹薹箭菇葙i 趔蓁鞴姜篓婪筋竖篱望， ；譬! 彰嚣型髫刿堡 垒譬巫嘉墨雪型琢态量。堕茎丝霉璃登帐j 露喝帮邋冀霸| 踹苗鹫的e 疆积脚鐾；捆囊幕产确羊鸯斋；勤亭割慌辫羹鬻麴幽习型幕。笛韫雾矧嗽； 曛型藉篙借猫些萌i 魏确韩酬；懒凑霎留礁耐翰荫肝鞋鹩国萋巡始了船用电机的设计，推进电机为l m w 的多相异步电机，但目前尚无 完整系统的报道。 华中科技大学、西安交通大学和北京凯奇公司在电机项目上有一定的合作，以 数控机床等工业应用场合为背景对1 5 相异步电机调速系统进行了研究。整个调速系 统采用转差型直接转矩控制，内环为三相直接转矩控制的推广，并将三相载波形p 1 j l m 方法推广到多相，整个调速系统只是三相调速系统的简单推广，该方法也被应用到六 相感应电机调速系统中。 哈尔滨工业大学以载人离心机直接驱动系统的研制为背景，对1 5 相无刷直流电 机调速系统进行了研究。文中分析了电流和磁密两方面因素对电磁转矩的影响，分析 了电机结构尺寸对电机交、直轴电感的影响，并对1 5 相无刷直流电机的故障运行进 行了分析，提出了两种容错控制方法：一是当一相发生故障时，与之对应的其它两相 也被舍弃；二是当一相发生故障，采用电流滞环调节控制其余各相的电流幅值和相位。 为了能独立控制每相电流和实现容错控制，系统主回路采用了每相独立h 桥的拓扑， 显然硬件复杂度和成本大大增加，而且论文中未见实验结果。 在永磁多相发电机方面，湖南大学研制了自调压多相永磁风力发电机，并申请 了专利；我校在一直致力于永磁发电机的研究，提出了四相、五相、六相，以新颖的 结构解决了普通式发电机耗能较多的问题，介绍了四相、五相、六相发电机的优化设 计结果，并在某些汽车上得到了推广应用，使用效果良好。 柳州亚大电器厂和柳州机电学校j f y l 3 1 型汽车永磁发电机问世后，相继开发了 j f y i s i型( 1 4 v ，5 0 0 w ) 系列发电机，配用各种型号种类的汽车。但是，第一代汽车永 磁发电机由于永磁转子材科用量较大，导致成本、价格偏高。固定的转子永磁场，采 用大电流稳压技术，特别是电子元件参数要求严格、制造困难，针对这些问题，又开 发出第二代汽车永磁发电机j f y 2 7 2 型( 2 8 v ，7 5 0 w ) 。j f y 2 7 2 型汽车永磁发电机主要 技术性能参数：额定电压2 8 v ，额定功率7 5 0 w ，空载电压2 8 v ，转速1 1 5 0 r m i n ， 满载电压28 v ，额定电流2 7 a ，转速3 5 0 0 r m i n ：最大输出2 8 v 、3 0 a 。目前该产品 与柳州汽车厂合作配套，正组织批量生产mj 。 总之，多相 x 山东理工大学硕士学位论文第二章总体结构设计 2 1 设计原则 第二章总体结构设计 ( 1 ) 发电机性能指标应达到中华人民共和国家机械行业标准农用运输焉黟发电 机z b t 8 5 8 2 6 2 0 0 1 。 ( 2 ) 提高材料利用率，降低成本。 ( 3 ) 具有抗振动、抗冲击、防尘、防潮等功能。 ( 4 ) 使用可靠、安装方便、体积小、重量轻。 ( 5 ) 电子稳压器具有节能稳压作用，输出直流电。 2 2 结构设计 近几年来汽车的载重量逐渐增多，用户对发电机的功率提出了更高的要求- 本 设计实现了一种结构简单，性能可靠，成本低，安装使用方便的五相永磁发电橇。五 相永磁发电机结构图如图2 1 所示。 图2 1 发电机结构示意图 1 。后端盖；2 壳体；3 。轴承；4 绕组总成；5 定子总成； 6 前端盖：7 轴承；8 风扇转子：9 皮带轮 本次设计的钕铁硼永磁发电机采用五相同步交流发电机的原理，产生五相 交流电。它主要由转子、定子、前后端盖、外壳、风扇及皮带轮组成。 6 山东理工大学硕。i ：学位论义第二章总体结构设计 2 2 1 转子设计 转子是发电机的旋转磁场部分，把钕铁硼永磁材料通过极靴固定在转子铁 芯上，转子铁芯固定在转轴上，构成发电机转子。转轴由4 5 撑钢制成，一端有 键槽来固定皮带轮。转轴如图2 2 所示： 2 2 2 定子设计 图2 2 转轴成型图 定子是发电机中产生五相交流电的部件。它由铁芯和五相绕组组成。定子 铁芯是内缘带槽的环形硅钢片叠成的，定子槽内置有五相绕组，绕组采用直径 为矽1 7 m m 高强度的漆包线，按星形连接。为使五相绕组中产生大小相等，相 位相差7 2 0 ( 电度角) 的对称电动势，五相绕组必须遵循以下原则： ( 1 ) 为使五相电动势大小相等，每相绕组的绕圈个数和每个线圈的节距与匝 数都必须完全相等。 ( 2 ) 五相绕组的起端a 、b 、c 、d 、e 、f 在定子槽内的排列，必须相隔7 2 0 电度角。五相发电机与三相发电机的主要区别在于绕组的不同，采用五相星形 连接【6 1 。如图2 3 所示。 各线电压为： t 图2 3 绕组形式 7 山东理工人学硕士学位论文 第二二章总体结构设计 甜2 = s i n ( w f 一7 2 0 ) 甜3 = 踟s i n ( w f 1 4 4 。) 甜4 = s i n ( w ，一2 1 6 。) “5 = 踟s i n ( w f 一2 8 8 。) 当发电机的绕组连成星形时，相电压与线电压显然是不相等的。它们的关系是： “1 22 “l 一“2 甜2 32 甜2 一z f 3 “3 42 材3 一扰4 “4 5 = 甜4 一“5 甜5 l 。甜5 一甜l 或用向量表示： u 1 22u i u 2 u 2 3 。u 2 一【，3 u 3 4 = u 3 一u 4 u 4 5 = u 4 一u 5 u 3 4 = u 3 一u 4 线电压与相电压的向量图，如图2 4 所示。 8 山东理工大学顽士学位论文 第二章薏体结构设计 图2 4 发电机相电压与线电压的向量图 可见线电压也是频率相同，幅值相等，相位互差7 2 0 电度角的五相对称电 压，在相位上比相应的相电压超前5 4 度【 。 至于线电压和相电压在大小上的关系为： 研= 2 c o s 5 4 0 坳 本设计转子采用8 极，定子铁心糟数为4 0 ，每个线圈节距为5 ，转子上每 个极对应定子5 个齿。定子铁心每齿j ( 槽) 为3 6 0 1 4 0 掌9 度。 2 2 3 端盖和壳体 前端盖和詹端盖用来支掉转挚j 安装藕封闭内部构件。后端盖板用来封闭 整流器和固定接线柱。前端盖、后端盖递姓棵。栓连接。前端盖、后端盖及后端 盖板如图2 5 、2 6 、2 7 所示： 9 a ) 零件圈 b ) 成型囤 图2 5 前端盖零件及成型图 t o 蕾l 衅鬃赶炎学硕士学位论文 第 ：童总体结构竣计 2 3 永磁材料的选用 矗) 零蒋圈 b ) 戚蛩霉 图2 7 后端盖板零件图及成型图 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， 山东理工人学硕1 ：学位论文第二章总体结构设计 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【8 1 。 2 3 1 永磁材料的选用原则 ( 1 ) 选用的永磁材料能够产生足够大的气隙磁场，达到发电机的性能指标。 ( 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 ) 有良好的机械性能，以方便加工和装配。 ( 4 ) 经济性要好，价格便宜【9 1 。 2 3 2 常用永磁材料的参数特性 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b ， 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， 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) 一 退磁曲线上任一点处b 和日值的乘积( b h ) ，称作该点处的磁能积。磁能 积的单位是历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：剩余磁感应强度曰，、矫顽力皿以及退磁曲线在第 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 1 3 山东理工人学硕二f ：学位论文 第二章总体结构设计 不高，稀土永磁材料的剩磁感应强度和最大磁能积远大于铁氧体。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，并具 有较高的剩磁感应强度和最大磁能积。 ( 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，电机的电枢反应所产生的去磁磁势绝 对不接近或不能超过磁钢所规定的矫顽力。否则电机经过一段时间运转，或经大负荷 下运转，逐渐会使电机磁钢失磁或去磁，为保证磁性能的稳定性和电机输出功率、电 压的稳定性，要求具有很高的矫顽力。 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b ，可高达1 4 7 丁，磁感应矫顽力日。可达9 9 2 黝聊，最大磁能 积p h ) 一高达3 9 7 9 灯朋3 ，是目前磁性能最高的永磁材料。本身不含战略物资钻， 因此相对铝镍钴价格便宜【坨】。 永磁电机对永磁材料的磁性能要求是具有“三高 的磁特性，即剩磁感应 强度高、矫顽力高、最大磁能积高，而钕铁硼永磁材料正具备这些优异的性能。 因此本设计选用钕铁硼稀土永磁材料。 本设计磁钢采用n t p 3 0 h ，在常温2 0 时，其剩磁强度为b ，= 1 1 2 t ( 特斯 拉) ，矫顽力h 。= 7 9 0 k a m ，最大磁能积( b h ) m a x = 2 2 4k j m 3 2 5 6 k j m 3 ，该永 磁体即使在最恶劣的高温10 0 下退磁曲线仍绝大部分为直线，回复线与退磁 曲线重合。 1 5 山东理工大学硕士学位论文 第三章结构参数设计 第三章结构参数设计 3 1 输出功率、转速范围、稳压范围的确定 3 1 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，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。在此用d 、。、， 分别表示电器不考虑季节因素、夏季及冬季3 种情况下的使用频度系数。电器 的使用频度系数d 、。、鼽可以通过长期的道路行驶统计获得，在这里估算车 辆用电设施的使用频度系数见表3 1 【13 1 。 表3 1 车辆用电设施的使用频度系数表 根据表3 1 的用电设施需用电流计算，用电总量为1 4 4 0 5 = 5 6 7 w ，留出 2 0 的设计余量，因此设计输出功率为7 5 0 w 的发电机。 3 1 2 额定工作转速的确定 车辆用发电机的工作转速范围宽，整个转速范围内，通常包括以下几个转 速【14 1 。 1 零电流转速，z o ：发电机达到额定电压，但并不输出电流时( 检测时通常 1 6 山东理工大学硕士学位论文 第三章结构参教设计 厶一一三相稳态短路时折合到转子的直轴电枢反应磁势的幅；么值t ( 明) 嗍一一最大磁能积( 跗) 嗽= 2 5 0 肜耽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玩成反比也就是说，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、鬈耐、k f 、x 。、k 占均在一定范围内，变化不大。设计时可根 据给定的额定容量p 和频率厂，根据选用永磁材料韵最大磁能积( 跗) 傩和预 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 塑鱼垒1 0 9 m 聊 - 朋 压。虬c ( 明) m 雠 ：2 2 5 兰q q 兰! 垒：兰! ：q ! 兰垒：璺三兰! ：! ：l o 。：1 6 6 8 0 5 掰胁， 2z z ) - ：l u = l o o 五u ) 搠胁 ji 巾 由r - 一 i 一 f c 2f c l l 垒f f 1 、2 一一稀土永磁退磁曲线，3 一一永磁体负载工作曲线，4 一一永磁体空载工 作曲线 图3 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材，= 1 1 ，也就是说稀土永磁体的内阻很大， 是空气隙的k 1 ，类似于空气隙。这样，当永磁体磁化方向的长度增加时，磁 1 9 势也成正比例增加，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小【1 8 】，如图2 一l 所示，e 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廿，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。 3 3 转子结构设计 发电机韵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【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。如图3 2 所示。 图3 7 3 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。 综合以上分析，本课题开发的车辆用永磁发电机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3 4 。 1 磁钢2 爪极3 磁轭4 轴 僵i3 2 爪极式图3 3 切向式图3 - 4 径向式 径向励磁转子结构的缺点是散热困难，为此把该车辆用永磁发电机的转子 结构设计为中空式，改善了发电机的通风冷却条件。稀土永磁发电装置采用径 山东理工大学硕。 ：学位论义 第三章结构参数设计 一般的在发电机设计中，槽宽6 ，约为0 5 舌 6 。 o 6 6 1 ，其中芒为齿距， 本例中齿宽6 。= 0 4 亡，6 ，= 0 6 芒，设计的定子齿数为4 0 ，槽形为梨形槽。 3 5 绕组匝数的计算 发电机每相绕组的匝数【6 】： = _ 兰譬_ 1 0 8 ( 匝) 4 4 4 扣kb k d p 咖l i o 其中e o = 1 3 u ，u _ = 3 5 y k 咖一绕组因数， k 咖= k ，k i ，k 础= 1 ； 1 8 0 u s m _ k d 分布因数k c ，= 靠= 1 ， g s m i z 垅口 g 每极每相槽数，g = l ， 三p l r l z 。定子齿数， p 一一极对数， 朋一一相数； k ，一一短距因数，k ，：s i n 望竽：1 ， = 上，y 一一绕组节距。 m g k 曲一一斜槽因数k 础= 1 。 九。一一空载有效磁通，么，。= 等= 墨瓮譬( w b ) 。 f = 兰l 一1 0 8 ( 匝) 4 4 4 弘k8 k d ，币l | o 本设计- 8 0 匝。 山东理t 人学硕i j 学位论文 第四章电枢反应电抗分析 第四章电枢反应电抗分析 电枢反应电抗是分析发电机的一组重要参数，电励磁式发电机电枢反应电 抗的计算方法比较成熟，永磁发电机的计算多沿用电励磁式发电机的计算方 法，往往造成计算结果误差较大1 9 】。因此必须研究新的分析计算方法，提高 永磁发电机设计计算的准确度。 4 1 交、直轴电枢反应 电枢反应是指发电机在负载运行时，电枢绕组电流产生的电枢磁动势对气 隙磁场的影响。对于永磁发电机不仅影响气隙磁场的分布与大小，而且影响永 磁体的工作状态，使永磁体的工作点相应改变。 发电机负载运行时，电枢绕组便有了电流，于是出现了电枢磁势e ，磁 势e 是五相绕组导通了五相电流之后所形成的旋转磁势，因此磁势只和主极 磁势r 实际上是相对静止的，这两个磁势在气隙空间相互作用的结果，形成 了合成气隙磁势b ，这个磁势就是发电机负载后的总磁势，由此可知，空载 状态下气隙磁势即主磁势r 。而在负载时，由于电枢磁势e 的影响气隙磁势只 应由两个磁势的合成来决定。 同步发电机带一般对称负载运行时，五相电流产生五相旋转电枢磁动势， 在分析其电枢反应时常采用“双反应理论【2 0 】，其基本思想是：当电枢磁势的 轴线既不和直轴又不和交轴重合时，可以把电枢磁势分解成直轴分量和交轴分 量，然后分别求出直轴和交轴磁势的电枢反应，最后把它们的效果叠加起来。 一 e m ? n e u qu ih i m u 6 或办。 f = 5 3 9 2 6 么 j l ，主磁导妒参= 等 人j = 0 4 7 l 1 0 6 日 主磁导标么值 = 人艿j 乏兰鬈：五j ，。3 = 。4 7 。一6 i j _ 了石二- 。3 以= 4 5 4 ( 7 0 ) 漏磁导人口 人。= o 0 2 5 1 0 巧日 山东理t 人学坝i j 学位论义附录发电机的设计 漏磁导标么值 以“盯彘10 3 _ o 0 2 5 1 0 _ 6 瓜石1 0 3，乒以。 1 1 4 万l u - j u u 乃= 0 2 4 ( 7 1 ) 外磁路总磁导 人。= 人占+ 人盯= o 4 7 1 1 0 - 6 + o 0 2 5 1 0 - 6 人。= o 4 9 6 1 0 _ 6 h 标么值九= 九+ 以= 4 5 4 + o 2 4 ( 7 2 ) 永磁体空载工作点 小= 南= 羔 = 厶。= 右= 志 ( 7 3 ) 空载磁漏系数= 6 埘o 6 。一。以 屯= 4 7 8 6 胁o = o 8 2 7 k o = o 1 7 3 = 画 驴1 0 5 竺一 ，r竺_ - 、 o 8 2 7 一o 1 7 3 o 2 4 ” ( 7 4 ) 空载气隙磁通 九o = ( 6 。o 一厅。o 五仃归，彳。1 0 “= ( o 8 2 7 一o 1 7 3 o 2 4 ) 1 0 1 3 0 0 l o “ ( 7 5 ) 空载气隙磁密 = 差川6 = 意瓷圳6 岛o = o 5 6 1 丁 ( 7 6 ) 空载定子齿磁密 耻b 。去一o 5 6 盂淼 九o = o 2 3 8 1 0 3 肋 置o = o 7 9 丁 ( 7 7 ) 空载定子轭磁密 b ，。= 互云0 6 = 互夏；霎0 6 q 。= o 4 3 3 r 。” 2 厶厅，k 心 2 2 3 1 2 9 8 o 9 2 p ( 7 8 ) 绕组平均半匝长三删= 厶+ k = 4 2 + 3 0 6 7 k = 7 2 埘m 山东理t 大学硕士学位论文 附录发电机的设计 式中k 为线圈端部平均长 ( 7 9 ) 每相绕组电吣= 禚= 丝黑挚 k = 3 0 朋朋 垦= 0 2 5 5 q e 级绝缘p p = 0 2 1 7 1 0 - 4 q m 朋2 朋聊 ( 8 0 ) 槽比漏磁导定子槽形见图5 附图7 定子槽形图 根据上下层元件所占面积相等的原则估算 啊 吃 魂 玩= 红i 一玩= 1 4 6 5 1 以斗3 + 搞+ 等+ 篙峨( o 9 8 5 + 剀 啊= 2 5 所所 红= 0 4 聊聊 = 6 0 朋聊 玩= l 聊m 玩= o 4 6 5 朋m = 2 3 所朋 面= 4 6 3 朋朋 以= 5 历所 6 = 4 8 2 聊历 竿半 面 畋 扛 山东理t 人学硕i ：学位论文附录发电机的设计 ：! l o 3 l + 毒里毛+ 坠+ 型+ 4 f o 9 8 5 + 坐1l 4 i3 1 4 6 + 4 4 ) 4 44 4 + 3 6 k2 3 川 以= 2 2 4 式中毛= 3 + 1 6 7 = 3 l + 1 6 7 七2 = 3 + l = 3 1 + l 5 万 5 o 4 ( 8 1 ) 差漏磁导乃= 了= o 7 5 靠 + ) + 瓯o 2 3 毛= 4 6 7 七2 = 4 乃= o 1 1 4 ( 8 2 ) 齿顶比漏磁导乃= 一= 九加= 与：笋= 笔蓑竽 丑= 2 0 8 ( 8 3 ) 端部比漏磁导 以- 0 3 4 詈( 三，_ o 6 4 移) _ o 3 4 去( 2 6 _ o 6 4 2 2 3 。7 5 ) 以= 0 2 2 6 ( 8 4 ) 总漏磁系数y 兄= 名。+ 允f + 乃+ 力= 1 8 9 0 + o 2 2 6 + o 1 1 5 + 2 0 8 _ ”“” f 见= 4 3 1 1 ( 的) 母棚绕组漏j 冗 耻h 5 志( 盖) 2 南m 旷 1 0 0i1 0 0 p 口厶一 ：1 5 5 竺f 旦1 旦4 3 1 1 x l o 一3 1 0 01 0 0 6 1 标么值牛等= 号警 ( 只6 ) 夺妯甫椒后商南椅 墨= o 5 3 尬 墨= o 3 4 2 4 乃。昙c 似老。暑互24 办。三c 肱考矗 g 占2 ：4 4 0 0 4 万l o 。( 7 2 o 9 2 4 ) o 万 22 2 3 2 3 8 1 4 4 o 5 1 5 ! 一l o 一3 o 4 + 3 9 彳凹= o 0 8 6 q 山东理工大学硕士学位论文 附录发电机的设计 式中式中k 钾为交轴电枢磁动势的折算系数均匀气隙时，k 凹按下时估算 矿口| 口加8 1 帜，斛了s 专 2口口万 如2 = 瓦 4 s i n 旦一 2 o 7 5 万一s i i l o 7 5 万+ 三c o s 堕 = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 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