（电力电子与电力传动专业论文）汽车用稀土永磁发电机与pwm稳压控制技术的研究.pdf

山东理工人学硕1 ：学位论义 a b s t r a c t a b s t r a c t i i l l i sp a p e r 廿l es m j c t u r e ，i m g n e t i cf i e l d ，m e m l a lf i e l da i l dv o l t a g er e g u l a t et e c h i l i q u eo f t l er a r e - e 弛p e r n l a n e m m a g r l e tg e n e r a t o “r e i mg e n 毗r )i nv e h i c l ea p p l i c a t i o na r e a n a l y s e da n ds h l d i e dd e t a j l e d l y ：u - t i l i z i n gm ef m i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，t h eg e n e r a t o r s m a g l l e t i cf i e l d 锄dt h e m = l a lf i e l da r ea n a b s e dt ob eb a s i ct h e o 拶f o ro p t i m i z i n g 也ed e s i g nm f i i t l 鹏1 1 1 蹦sp a p e rac i r c u i 仃yc o m r 0 1 l e db yp w mi sp u tf o n a r d ，a i l ds o m ee x p e 血吣i s g i v e i l ，a r l dam g h a c c u i a i c ye b c ti nt h ef i r s ts t 印c o u l db ea c h i e v e d f i r s to fa l l ，m ep a p e ra n a l y z e dt h es 呲t u r eo f t h er e p mg e n 批r t h er o t o ro f r e p m g 孤e r a ：c o ru s e sn d f bp e 硼a n e n tma _ 即e tm a t e r i a l ，锄dt h j sm a t e r i a l sm a g n e t i ch a ss o m e e x c e l l e n c e ss u c ha sl l i g 量lb r ，h c ，( b 日) 。，t t l ec u r v eo fd e m a g n e t i z a t i o ni sn e a l l yr e c t i l i n 训 e t c s e c o n d l y ，m ef i 血ee l e m e n tm e m o d ( f e 旧i su s e dt o 锄d y s et 1 1 eg e n e r a t o r sm a g n e 矗c f i e l do fr e p mg e r l e r a c o r i i lp 印e ra n s y s1o ow l l i c hi sal 硼箩a n dg e n e r a lp u r p o s ef e m s o f h v a r ei su s e dt oe s t a b l i s hm eg e n e r a t o r sm o d e l ，a n db a s e do nt 1 1 em o d e lm e2 一ds t a t i c m a g n e t i cf i e l di sa i l a l y s e d 1 1 1 ep o w e r 砌c 印a b i l 时o fa n s y s 10 0i nd e a l i n g 谢lg r a p ha i l d n u m e r i c a lv a i u e c o u l d m a l ( et h ed e s i 弘o fp mg e n e r a t o ra c c u r a t ea n di n t u i t i o n a l r d l y ，a c c o r d i n gt ot h ee x c e l l e n c e 讹c h m a g n e t i s mo fn d f bp e n l l 撇i n th l a g n e t m a t 缸a lw o u l dg e td o w nw h e nt h eg e n e r a t o r st e m l ) e r a t u r er o s es 1 ) e e d i l y t h ep a p e ru s e d a n s y sl0 0t oa i 山y s et h eg e n c 嘲r t o r st h e 锄a 】f i e l di no r d e rt om a l s u r et h ep e m a r i e l l t m a g n e tc a nw o r ks a f e l y a tl a s t ，t h i sp a p e ra i l a l y z e de x i s t i n gv o l t a g er e g u l 蕊0 rm 劬o d so fr e p m ，a 1 1 dav o l t a g e r e g u l a t o rw 1 1 i c hc o n t r o i l e db yp w m i sd e v e l o p e d t h ev o l t a g er e g u l a t o rh a ds o m em e r i t ss u c h a s1 1 i 曲p r e c i s i o 玛s i r n p l e 鼬m c t u r e ，s 饭b l ep e r f o 肌a n c e ，e c o n o m ya i l ds oo n u s i n gm e 1 1 i 业- 雠q u e n c ya n d 如l l 一、v a v ec o n n d lm o d e ，m ep r 曲l e mb r o u g h tb yn 嘶s t o rc a nb e s o l v e d 1 h ep r o b l e mi s 斌w h e nu s e dat h y r i s t o ri na 砌fw a v ec o i 咖l l e dr e c t i f i e r ，此 p r e c i s i o n 、v o u l dn o tb eh i 曲t h er e s u l t so f t e s ta c l l i e v e sd e s i 印e r sp u r p o s e ，“sc o 戚a t e dn l a t n l em 幽di sp r a c t i c a l k e y w o r d s ：r 矗r ee a r n lp mg e n e m l 饼；f e m ；a n s y s ；v o n a g er e g u l a = c o r ；p w m 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：1 肠嘉对阚：2 口d 寥年毛只| | 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) 时间：? 口i 绛月7 f 日 时间：z 口d ? 年石月f 7 日 d z 断 石穆叙v0 粕矽 名 名 盗 签 究 师 研 导 山东理_ 丁人学顶十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的意义 第1 章绪论 本课题中汽车用稀土永磁发电机的优化设计和用p w m 实现高精度稳压控制的研究 是“钕铁硼永磁发电机及可控整流技术”项目的补充和完善，该项目已获得国家2 0 0 6 年技术发明二等奖。 汽车工业是产业关联度高，规模效益明显，资金和技术密集的国民经济主导产业。 随着国民经济的迅速发展，汽车工业已成为我国国民经济发展的支柱性产业之一。因此， 抓住我国汽车工业快速发展的机遇，开发具有自主知识产权的产品，提高我国汽车零部 件工业的核心竞争力，是我们要应对的重要任务。发电机是汽车电气系统的关键部件， 随着汽车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。 目前国内、外汽车中普遍使用的是电励磁硅整流交流发电机。电励磁硅整流交流发 电机可以分为有刷和无刷两类。由于工艺、材料、结构设计等方面的问题，这种发电机 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 别是采用了电刷、集电环结构的有刷发电机，可靠性低，需要经常维护；采用无刷结构， 省去了电刷和集电环，提高了汽车发电机的可靠性，但是发电机的功率密度指标有所下 降，使得发电机的体积、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。近年来，随着稀土永磁材料的发展，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，为汽车发电机向功率大、体积小、 高效、高可靠性方面发展提供了条件。与传统的电励磁发电机相比，稀土永磁发电机具 有结构简单，运行可靠，体积小，质量轻，损耗少，效率高，电机的形状和尺寸可以灵 活多样等优点。因此，作为新一代的汽车发电机，汽车用稀土永磁发电机替代现在使用 的电励磁硅整流交流发电机是一种趋势。 据资料统计，我国稀土储量占世界稀土储量的4 0 多，稀土产量占世界的8 9 左右， 有着得天独厚的稀土资源。稀土磁性材料的工业化生产为永磁发电机的发展提供了广阔 的取材途径，提高了该类产品在国际市场上的竞争能力。同时，推广稀土永磁发电装置 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【l j 【2 j 。 山东理丁人学硕：i ：学位论文第l 章绪论 1 2 稀土永磁发电机的优点 ( 1 ) 结构简单，运行可靠性高 永磁发电机采用了永磁转子，发电机磁场由永磁体产生，不再需要直流电产生磁场， 因此，无需励磁绕组、直流励磁电源、碳刷、滑环等结构，使得整体结构变得简单。因 为去掉了励磁绕组，所以避免了电励磁发电机的励磁绕组易断线、烧毁及碳刷、滑环易 磨损等问题，减少了维护工作量，提高了运行的可靠性。 ( 2 ) 发电效率高，电能消耗少 永磁发电机中没有励磁绕组，不存在励磁损耗，减少了耗电量，仅此一项即可提高 发电机的效率1 0 鼽1 5 。由于采用了永磁转子，不存在碳刷与滑环之间的摩擦损耗，所 以发电机效率又可提高5 以上。在图卜l 发电机效率特性曲线中【3 】，上面一条为永磁发 电机效率曲线，下面一条为硅整流发电机效率曲线。从中可以得出，永磁发电机比硅整 流发电机效率高1 5 2 0 9 6 ，节能效果明显。 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 在电磁参数相同的情况下，硅整流发电机无电流输出时，永磁发电机可以对外输出 3 5 a 节省下来的励磁电流，改善了低速供电性能。转子采用径向励磁结构，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，外特性较硬。 ( 4 ) 环境适应性强 永磁发电机去掉了碳刷、滑环，结构变简单，更能适应潮湿或灰尘多的恶劣环境； 同时消除了碳刷与滑环之间因磨擦产生的电火花，提高了防爆性，可以在危险程度较高 的环境中工作。 ( 5 ) 延长蓄电池使用寿命 首先，永磁发电机具有良好的低速充电性能，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。其次，不欠充电，也不过充电，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，这样既能不损耗大量的电解液和污染蓄电池表面，同 时也能有效地避免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。最后， 2 山东理工人学硕士学位论文第l 苹绪论 因为采用了斩波式稳压电路，所以永磁发电机向蓄电池提供的是脉冲式充电电流。在开 关器件导通瞬间，高幅值的脉冲充电电流，可使蓄电池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，从而延长了蓄电池的使用寿命【4 】。 ( 6 ) 功率密度高 转子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，同时采用径向励磁结构，使得发电机内部结构设计排列得很紧凑，体积小，重 量轻，功率密度高。 1 3 本课题的主要内容 ( 1 ) 汽车用稀土永磁发电机磁场分析【5 l 永磁发电机与电励磁发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家的制造工 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，性能的离散性很大。 汽车用稀土永磁发电机磁路结构的选择，直接影响着发电机的电磁性能、可靠性和成本。 此外永磁发电机中漏磁路十分复杂而且漏磁通占的比例较大，铁磁材料部分又容易饱和， 磁导是非线性的，这些都增加了永磁发电机电磁计算的复杂性，使计算结果的准确度降 低。因此，在对汽车用稀土永磁发电机进行磁场分析时就不能简单套用传统的永磁电机 或电励磁电机的结构和设计计算方法。 本课题采用了有限元法分析汽车用稀土永磁发电机的磁场分布。通过运用大型通用 有限元分析软件a n s y s l 0 0 可以便捷、有效地对发电机进行磁场分析。 ( 2 ) 汽车用稀土永磁发电机温度场分析 汽车用稀土永磁发电机中使用的钕铁硼永磁体的居里温度较低，磁性能随着工作温 度的变化而下降较快。当温度过高时，还会造成不可逆失磁，因此，有必要对永磁发电 机的内部温度分布进行分析，确保没有能造成不可逆失磁的热点存在。 汽车用稀土永磁发电机运行时，内部存在的损耗包括：铜损、铁损、摩擦损耗等， 这些损耗最终转化成热能。大量的热聚集在发电机内部，会使发电机温度上升。同时， 发电机外壳散热及内部强迫空冷又会带走一定热量。运行一段时间后，这些损耗发热与 散热达到平衡，从而稳定在一定的温度，可以只进行稳态热分析。 a n s y s 作为通用有限元分析软件，也可用于汽车用稀土永磁发电机温度场分析，通过 分析可以方便地确定发电机各点的温度。 ( 3 ) p w m 稳压技术研究 永磁发电机制成后不需要外界能量即可维持磁场，这是此类发电机的优点，但也带 来了从外部调节、控制磁场的困难。由于汽车用发电机工作过程中转速变化范围很大， 一般在1 0 0 0 “0 0 0 r r n i i l 以内，同时负载也随工作状况的不同在很大范围内变动，因此， 山东理工人学硕士学位论文第1 荦绪论 如何实现大范围变速变载条件下稳压输出是汽车用稀土永磁发电机的关键技术之一。 本课题中的p w m 稳压电路采用了三相桥式整流电路和直流斩波电路相结合的方式来 实现对汽车用稀土永磁发电机输出电压的控制。直流斩波电路的开通与关断采用了高频 p w m 控制方式，由于采用了高频全控方式，可以解决工频半控整流电路中因晶闸管的半 控性带来的低负载时稳压精度不高的问题。 4 山东理工人学顾j ：学位论文第2 章汽车用稀土永磁发电机的结构 第2 章汽车用稀土永磁发电机的结构 2 1永磁材料 ( 1 ) 永磁材料的常用特性【7 1 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。永磁 材料的主要性能有以下四个参数来表达： 剩余磁感应强度曰， 在永磁材料饱和充磁的情况下，去掉外部磁化场后，永磁材料本身具有的磁感应强 度值，也就是退磁曲线上磁场强度h 为零时相应的磁感应强度值，称为剩余磁感应强度。 剩余磁感应强度越大，磁体对外提供的磁场强度越强。 矫顽力以 永磁材料饱和充磁后，使磁体剩余磁感应强度降到零时的外加反向磁场的磁场强度 值，也就是退磁曲线上磁感应强度日，为零时相应的磁场强度值，称为磁感应强度矫顽力， 简称矫顽力。永磁体的矫顽力代表了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。 磁能积( b 日) 和最大磁能积( b 日) 一 退磁曲线上任一点的磁通密度与磁场强度的乘积称为磁能积，它的大小与该永磁体 在给定工作状态下所具有的磁能密度成正比，磁能积的单位是j m 3 ，表示单位体积的永 磁体能向外磁路提供的磁场能量。永磁体的最大磁能积决定于三个因素：剩余磁感应强 度b ，、矫顽力日，和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) 。在 获得相同磁场能量的条件下，永磁体的最大磁能积越大，永磁体的体积就越小，所以在 发电机中使用的永磁体的最大磁能积越大越好。 居罩温度乃 随着温度的升高，永磁体的磁性能逐步降低，当温度升至某一点时，磁化强度消失， 此时的温度称为该永磁材料的居里温度乃，又称居里点。 ( 2 ) 永磁材料的发展嗍 永磁材料主要有铁氧体永磁材料、稀土永磁材料和其它永磁材料。根据材料成份可 以把永磁材料的发展过程分为三个阶段：第一阶段，1 9 0 0 年开始生产的铸造永磁材料， 如铝镍钴合金，此类材料的居里温度很高( 可高达8 9 0 ) ，温度稳定性很好，但是它含 有较多的战略金属c o 和n i ，价格昂贵。第二阶段，1 9 5 0 年初发展的铁氧体，主要有钡 5 山东理t 人学硕一l ：学位论义第2 章汽下用稀十永磁发电杉【的结构 和锶铁氧体。铁氧体永磁材料的磁性能不高，但是原材料资源丰富、价格低，所以应用 广泛。第三阶段，1 9 6 0 年初发现的稀土永磁材料，此类磁体是目前为止性能最好的磁体， 主要有钐一钴磁体，n d f e b 磁体，铁基稀土氮化物及纳米复合稀土永磁体等。稀土永磁 材料，尤其是稀土铁系永磁材料，如n d f e b 系永磁材料，磁性能高，不含或含有较少 的战略金属c o 和n i ，价格相对较低，因而得到广泛应用。 ( 3 ) 钕铁硼材料的特性阴 稀土钕铁硼永磁材料是迄今为止所发现的磁性能最好的永磁材料，自2 0 世纪8 0 年 代闯世以来，受到国内外电机界的广泛关注。因不含战略金属钴，制造原材料比其它稀 土永磁材料丰富和廉价，使其价格大幅降低。目前，稀土钕铁硼永磁材料已广泛应用于 直流电机、同步电机以及很多种类的特种电机。 稀土钕铁硼永磁材料的显著优点是剩磁b ，高( 是铁氧体永磁的3 4 倍) 、矫顽力h c 大( 是铁氧体永磁的3 4 倍，是铝镍钴永磁的6 1 0 倍) 、最大磁能积( b 日) 。，高( 是 铁氧体永磁的1 0 倍，是铝镍钴永磁的8 倍，是稀土钴永磁的1 5 倍) 。在室温下，目前 钕铁硼永磁材料的剩余磁感应强度b ，可高达1 4 7 t ，磁感应强度矫顽力q 可高达 9 9 2 k a m ，最大磁能积( 召何) 。可高达3 9 7 9 k j m 3 ( 理论上高达5 1 2 l n 3 8 】) 。具有 如此优良性能的钕铁硼永磁材料特别适合于制作各种类型的高性能永磁电机。与铁氧体 永磁电机相比，在体积相同的情况下，额定功率可提高3 0 5 0 ；与电励磁电机相比， 在相同额定功率的情况下，电机体积可减少2 0 ，效率可提高5 1 0 。钕铁硼永磁 材料的另一个特点是其退磁曲线基本上是一条直线，这个特点给电机的设计带来一定的 方便。 稀土钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度相对较低( 露大约为3 1 2 ) 嘲，温度 系数较高，高温下的磁性能下降较快。 表2 1 各种永磁材料性能比较表 本课题中选用的磁性材料钕铁硼的牌号为n t p 3 0 h ，该材料的最大剩磁感应强度且为 1 1 2 t ，磁感应矫顽力玫为7 9 0k a m ，最大磁能积( b 日) 一为2 2 钆2 5 6 m 3 。 2 2 发电机转子结构【7 】 通常按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，分为切向式、径向式、混合式 和轴向式四种。 6 山东理工大学硕士学位论文第2 章汽车用稀土永磁发电机的结构 ( 1 ) 切向式转子磁路结构 切向式转子磁路结构中( 如图2 一l 所示) ，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，其漏磁比轴向式结构和径向式结构要大。在切向式结构中永磁体并联 作用，有两个永磁体截面对气隙提供每极磁通，可以提高气隙磁密，尤其在发电机极数 较多的情况下更为突出，因此适合用于极数多且要求气隙磁密高的永磁同步发电机。 永磋体氆轭轴 图2 1 切向式转子 ( 2 ) 径向式转子磁路结构 径向式转子磁路结构( 如图2 2 图2 4 所示) 中永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线一 致且离气隙较近，漏磁系数较切向式结构小。在一对极磁路中有两个永磁体提供磁动势， 仅有一个永磁体截面提供每极磁通，故气隙磁密相对较低。径向式转子磁路结构中永磁 体的形状主要有环形、星形、瓦片形和矩形四种。 环形永磁体的结构和工艺最为简单，直接浇铸或粘结在发电机转轴上，机械强度较 高，可以在较高转速下运行，但是永磁材料的利用率不高。 星形永磁体( 如图2 2 所示) 直接浇铸或粘结在发电机转轴上，结构和工艺较为简单， 提高了永磁材料的利用率。由于极间漏磁较大，充磁较为困难，容易造成永磁体的不均 匀磁化。而且永磁体的形状较复杂，永磁材料的磁性能同样偏低。 s 图2 2 星形式转子 7 山东理工人学硕二1 ：学位论文 第2 章汽下用稀土水磁发| 乜机的结构 为了在尽可能小的转子直径内放置尽可能多的永磁体，提高气隙磁密，同时考虑到 稀土永磁的矫顽力高，永磁体磁化方向长度可以小，近年来多采用瓦片形永磁体( 如图 2 3 所示) 和矩形永磁体( 如图2 4 所示) 。矩形永磁体的加工费用最低，磁化均匀，同样 永磁材料的磁性能最好。瓦片形永磁体也可以用矩形永磁体条组成，以减少永磁体加工 费用。调节瓦片形永磁体的宽度和矩形永磁体极靴的形状和宽度，也就是调节极弧系数， 可以改善气隙磁场波形。衬套( 即转子轭) 用磁性材料制成。永磁体之问是非磁| 生材料， 既可以起到阻尼作用，又对转子轭和永磁体的固定起到一定作用，进一步提高了高速运 行发电机的可靠性。 图2 3 瓦片形永磁体转子 厂蕊 萨 蚣 、j ? 图2 _ 4 矩形永磁体转子 ( 3 ) 混合式转子磁路结构 混合式转子磁路结构是在径向和切向都放置永磁体，如图2 5 所示。它可以在一定 的转子直径下提供更高的气隙磁密，或者在气隙磁密相同的情况下减小转子体积。在切 向永磁体和径向永磁体的尺寸、相互位置配合理的情况下，漏磁系数可以比纯切向或纯 径向结构大大减少，即在额定输出功率和转子尺寸相同的情况下，减少了永磁体用量。 但是混合式转子结构较为复杂，转子槽形和永磁体的加工精度要求高，制造费时。 8 山东理工人学硕士学位论文第2 章汽中用稀土永磁发电机的结构 永盛体轴极靶 图2 5混合式转子 ( 4 ) 轴向式转子磁路结构 轴向式转子磁路的代表结构是爪极式转子，如图2 6 所示。爪极式转子通常由两个 带爪的法兰盘和一个轴向充磁的圆坏或圆柱形永磁体组成。两个带爪法兰盘的爪数相等 ( 等于极数之半) 。左右两个法兰盘对合，爪极互相错开，沿圆周均匀分布。永磁体夹在 两个带爪法兰盘中间，一个法兰盘上的爪为n 极，另一个法兰盘上的爪为s 极，形成极 性相异、相互错开的多极转子，法兰盘上的爪起极靴作用。 永盛体爪扳 图2 6 轴向式转子 爪极转子的优点：永磁体形状简单、磁性能好、磁化均匀、利用程度高；爪极的存 在使气隙磁场稳定，不会发生不可逆畸变；交轴电枢反应在爪极中闭合，爪极之间的漏 磁较大，直轴电枢反应对永磁体的去磁作用较小，永磁体具有较大的抗去磁能力；爪极 系统具有良好的阻尼作用。因此特别适用于极数较多或频率较高的发电机。 爪极转子的缺点：爪极的结构复杂，制造困难费时；当发电机的转速较高或容量较 大时，爪极所受的离心力很大，需要采用专门的紧固措施，并适当增大电机气隙；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，电机质量增加，故不宜做成 工频发电机；爪极中的脉动损耗较大，导致效率下降。 9 山东理工人学硕一1 ：学位论文第2 章汽下用稀十永磁发电机的结构 ( 5 ) 本课题中的转子磁路结构 在实际应用中选用何种转子结构形式，应根据具体情况而定。一般来说，多极、高 速、大容量的稀土永磁发电机，以切向磁化结构居多；而对于小容量、极数较少的场合， 则径向磁化结构较合适。对于本课题中的汽车用稀土永磁发电机来说，因为它的容量不 大( 设计额定容量为5 0 0 w ) 、极数不多、转速不太高，所以采用了径向磁化结构。为了 提高材料利用率，永磁体可以选用瓦片形永磁体或矩形永磁体。在汽车用稀土永磁发电 机中，永磁体采用矩形而不采用瓦片形对发电设备输出电压影响不大( 小于5 ) 【4 1 ，因此， 为了减少加工费用，本课题中选用了矩形永磁体。研究表明【1 1 j ：在转子的适当位置上开 通风孔，对发电机磁路影响不大，丌孔既可以改善车用稀土永磁发电机的通风冷却条件， 还可以减轻发电机的重量，提高发电机的功率密度，因此课题中把发电机的转子结构设 计为中空式，转子结构如图2 7 所示。 永蠢体 板靴彝导磁村抖 2 3 发电机定子结构【1 3 】 图2 7 发电机转子结构图 汽车用稀土永磁发电机的定子结构和电枢绕组与一般硅整流交流发电机的结构类 似，定子结构如图2 8 所示。 部分系数计算如下： 极对数：p = 6 ： ( 2 1 ) 定子槽数：z = 3 6 ；( 2 2 ) 相数：所= 3 ； ( 2 3 ) 1 0 山东理工人学硕二l 学位论文 第2 章汽车用稀土水磁发电机的结构 每极每相槽数：g = l = l ； ( 2 4 ) 三p l l i 绕组节距：y = f = 去= 3 ； ( 2 5 ) 厶p 短距因数：蜂：s i n 堡尝= 1 ： ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中：声= y 掰g = l ； ( 2 7 ) 1 8 0 u s m _ 一 分布因数：髟= 靠= l ； g s m - z ，托口 绕组因数：= 杨k p 妊= 1 ； 这罩斜槽因数如= 1 。 图2 8 发电机定子结构图 2 4 励磁电动势和气隙合成电动势1 0 】 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 汽车用稀土永磁同步发电机在空载运行时，空载气隙基波磁通在电枢绕组中产生励 山东理工人学硕：l ：学位论文 第2 章汽车用稀土永磁发电机的结构 磁电动势甄；在负载运行时，气隙合成基波磁通在电枢绕组中产生合成电动势易，计 算公式分别如下： e 沪4 4 4 剑k d p 5 0 k 中 e 5 = 4 舭删k d p 6 n k 式中：电枢绕组每相串联匝数； 如一绕组因数； ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 民一气隙磁通的波形系数； 石。一每极空载气隙磁通( b ) ； 占一每极气隙合成磁通( w b ) 。 空载气隙磁通和气隙合成磁通的大小与选用的永磁材料性能、转子及定子磁路结构 形式和具体尺寸有关，可以用有限元法对汽车用稀土永磁发电机进行磁场分析，进而求 出各部分剩磁感应强度和磁密分布，具体方法见以下章节。 2 5 小结 本章介绍了永磁材料的常用特性，汽车用稀土发电机中的永磁材料采用稀土钕铁硼， 该材料具有高磁能积、高剩磁感应强度、高矫顽力、去磁曲线为直线等优点。同时介绍 了发电机转子和定子结构，通过分析比较给出了本课题中采用的发电机的结构。转子中 采用的径向励磁结构，使得发电机内部结构排列得很紧凑，体积小、重量轻。 1 2 山东理工人学硕十学位论文第3 章水磁电机常用磁场分析方法及有限元法原理 第3 章永磁电机常用磁场分析方法及有限元法原理 3 1常见磁场计算方法简介 当前所采用的永磁电机的磁场分析方法主要有等效磁路法、等效磁网络法、场路结 合分析法、电磁场解析分析法和电磁场数值分析法。 ( 1 ) 等效磁路法【l o j 等效磁路法是传统的电机分析方法。该方法将永磁体处理成磁势源或磁通源，其余 按照通常电机的磁路计算来进行，具有形象、直观、计算量小等优点。但是，由于永磁 电机磁场分布复杂，仅依靠少量集中参数构成的等效磁路模型难以描述磁场的真实情况， 使得一些关键系数如极弧系数、漏磁系数等，只能借助于经验数据或曲线，而此类数据 或曲线大都是针对特定结构尺寸和特定永磁材料的，通用性较差。因此等效磁路计算只 适用于方案的估算、初始方案设计和类似方案比较，要想得到精度较高的结果必须采用 其它的分析方法。 ( 2 ) 等效磁网络法c 2 3 】【2 4 】 等效磁网络法早在上世纪6 0 年代就被有关学者提出，由于受当时计算条件的限制， 未能加以推广。在该方法中，人们根据电机的几何结构和预测的磁通走向，把磁场区域 划分为若干串联或并联支路，每条支路由磁导或者磁势源等单元组成，单元之间通过节 点相联，构成磁网络。该方法是一种介于等效磁路法和有限元法之间的分析方法，原理 简单，实现方便，计算精度高于等效磁路法，所需计算机内存容量及c p u 时间比有限元 法要少。但是在建立磁网络时，电机结构要做一定的简化，而且磁网络模型是建立在磁 场预测结果的基础之上的，难免带来一定的误差，尤其是对永磁电机复杂的电机结构误 差更大。 ( 3 ) 场路结合分析方法 这里提到的场路结合是指磁场和磁路的结合。利用电磁场数值计算求出极弧系数、 漏磁系数、电枢有效长度以及机壳有效长度等磁路法计算中不易准确计算的一些参数， 然后将这些参数结合到磁路法的计算中，这样可以提高磁路法计算的准确性。目前，经 过电机学术界的努力，已逐步形成了适用于计算机求解的以等效磁路解析求解为主，用 电磁场计算和实验验证得出的各种系数进行修正的一整套分析计算方法和计算机辅助软 件【7 】。 ( 4 ) 电磁场解析分析法 山东理工人学硕士学位论文第3 章永磁电机常用磁场分析方法及有限元法j 泉理 电磁场解析分析法具有很长的历史，在早期有就有很多文献论述电磁场解析分析法 分析永磁电机的磁场参数以及性能。g uq i s h a n 等发表了采用解析方法计算永磁电机电 磁场的文章【2 5 】瞄】【2 7 1 ，对永磁电机气隙磁场、永磁体边缘效应及开槽效应进行了研究，为 永磁电机磁场解析分析奠定了基础。z h uz q ，等在i e e e 上发表了一系列文章【2 8 儿驯 3 0 】【3 1 】【3 2 】，采用解析方法对永磁无刷直流电动机的空载磁场、电枢磁场、开槽效应以及负 载磁场进行了全面的研究，是运用解析法研究永磁电机最具有代表性的研究成果，对解 析计算向工程应用迈进作出了巨大的贡献。但是解析法不能处理复杂的电机结构，对磁 场饱和不能够有效处理。 ( 5 ) 电磁场数值计算法 电磁场数值计算方法包括有限差分法、有限元法、积分方程法和边界元法等四种基 本类型，以及近年来发展产生的有限元法和边界元法相结合的混合法。其中有限元法适 应了当今工程电磁问题分析的需要，已获得了广泛的应用【3 3 l 瞰l 。有限元法最主要的特点 是根据该方法编制的软件系统对于各种各样的电磁计算问题具有较强的适应性，通过前 处理过程能有效地形成方程并求解。它能方便地处理非线性介质特性，如铁磁饱和特性 等。它所形成的代数方程组具有系数矩阵对称、j 下定、稀疏等特点，所以求解容易，收 敛性好，占用计算机内存量也较少。这些f 是有限元法能成为电气设备计算机辅助设计 核心模块的优势所在。工程设计和科学研究对电磁计算精确度要求的不断提高，促进了 有限元法的发展及其在电气工程方面的广泛应用；而计算机资源的不断开发又为有限元 法电磁计算的发展创造了必不可少的条件。 综上所述，永磁电机几种性能分析方法各有特点，也有着各自应用场合。在精确分 析性能方面电磁场数值计算有着绝对的优势，而有限元法在应用方面又优于其它数值计 算方法，所以本文采用有限元方法对汽车用稀土永磁发电机进行磁场分析研究。 3 2 电磁场基本理论 3 2 1 麦克斯韦方程组1 3 9 l 电磁场理论由一套麦克斯韦方程组描述，分析和研究电磁场的出发点就是对麦克斯 韦方程组的研究。麦克斯韦方程组由四个定律组成，即安培环路定律、法拉第电磁感应 定律、高斯电通定律和高斯磁通定律。有限元法分析电磁场所用的偏微分方程就是从麦 克斯韦方程组推导而来的。 ( 1 ) 安培环路定律 无论介质和磁场强度的分布如何，磁场中磁场强度沿任何一闭合路径的线积分等于 穿过该积分路径所确定的曲面的电流的总和，或者说该线积分等于积分路径所包围的总 电流。这里的电流包括传导电流( 自由电荷产生) 和位移电流( 电场变化产生) 。如下： 1 4 山东理工人学硕士学位论文第3 章永磁电机常用磁场分析方法及有限几法原理 似刃= ( ，+ 西 ( 3 1 ) 这里r 为曲面q 的边界，j 为位传导电流密度矢量，a d 钟为位移电流密度，d 为 电通密度。 ( 2 ) 法拉第电磁感应定律 闭合回路中的感应电动势与穿过此回路的磁通量随时间的变化率成正比。用积分表 示为： 恤刃= 一【筹幽 ( 3 2 ) e 为电场强度，b 为磁感应强度。 ( 3 ) 高斯电通定律 在电场中，不管电介质与电通密度矢量的分布如何，穿出任何一个闭合曲面的电通 量等于这一闭合曲面所包围的电荷量，这里指出电通量也就是电通密度矢量对此闭合曲 面的积分。该定律的积分形式可表达如下： 熟d 蕊= 妣p d v ( 3 3 ) p 为电荷体密度，y 为闭合曲面s 所围成的体积区域。 ( 4 ) 高斯磁通定律 磁场中，不管磁介质与磁通密度矢量的分布如何，穿出任何一个闭合曲面的磁通量 恒等于零，这里指出磁通量即为磁通量矢量对此闭合曲面的有向积分。高斯磁通定律的 积分形式为： 捌b 豳= o( 3 4 ) - h ( 5 ) 微分形式的麦克斯韦方程组【3 5 】 上述四个方程还分别有自己对应的微分形式，也就是微分形式的麦克斯韦方程组： v e ：一塑 秽， v 日：+ 望 a | 飞d = p v 詹：0 ( 3 5 ) 式中，e 为电场强度；曰为磁感应强度；d 为电位矢量；日为磁场强度；，为电流 密度；p 为电荷密度。 方程组( 3 5 ) 必须加上三个电磁性能关系式( 3 6 ) ，才能构成完整的经典电磁场方程组。 山东理工人学硕：i ：学位论文第3 章水磁电机常用磁场分析方法及柯限冗法原理 肚h ，：仃e ( 3 6 ) d ：s e j 式中：g 为介电常数；为磁导率；仃电导率。 在线性、均匀、各向同性的介质中，s 、和仃都是恒定不变的常数。以稳定磁场 为例，这里所谓线性，就是指介质中各点磁通密度b 的大小与磁场强度h 的大小成f 比； 所谓均匀，就是指介质的组成情况处处相同，各点的导磁性能一样；所谓各向同性，就 是指沿着空间不同方向，介质的导磁性能相同，因此磁通密度矢量与磁场强度矢量在空 间有着同一方向。 由于电机中的交变电磁场属于似稳电磁场，位移电流密度与传导电流密度相比可以 忽略不计。在研究似稳电磁场问题时，不考虑电场变化所引起的磁场阳。因此式( 3 5 ) 中第二个方程可改写为 v 日：( 3 7 ) 3 2 2 位函数的微分方程 麦克斯韦方程组是场矢量之间的关系表达式，如果直接用来求解电磁场问题，在数 学上存在较大困难。因此在分析电磁场问题时，常常引入一定的位函数作为求解的辅助 量。 ( 1 ) 标量电位的偏微分方程 静电场是无旋场，电场强度矢量的旋度处处为零。而对于任一标量函数， 旋度恒为零，因此在静电场中可以引入标量电位作为待求量。 e ：一v 矽：一丝f 一丝， 绌 砂。 式中矽为标量电位。 其梯度的 ( 3 8 ) 上式中的负号表示电场强度矢量的方向总是指向电位减小率最大的方向。将该式代 入静电场的基本方程式中，即可导出标量电位满足的偏微分方程，这是一个泊松方程 v z ：鲁+ 害：一p 肛 ( 3 9 ) c | x q ( 2 ) 标量磁位的偏微分方程 由麦克斯韦方程式可知，在稳定磁场的无电流区域，磁场强度矢量的旋度为零。这 时可以引入标量磁位作为待求量。 日：一v ：一孥f 一孥 ( 3 1 0 ) u x u y 式中为标量磁位。 1 6 山东理t 人学硕上学位论文第3 章永磁电机常用磁场分析方法及有限兀法原理 将上式代入稳定磁场的基本方程式中，注意到这时电流密度矢量，= 0 ，即可导出 标量磁位满足的偏微分方程，这是一个拉普拉斯方程。 ( 3 1 1 ) 在稳定磁场的有电流区域，磁场强度矢量的旋度不为零，因此不能采用标量磁位进 行求解。但考虑到磁通密度矢量的散度恒为零，而对于任一矢量函数，其旋度的也是恒 为零。因此可以引入矢量磁位彳来描述场域中有电流存在时的稳定磁场问题。 v v 彳= o ( 3 1 2 ) 把上式代入( 3 5 ) 的第四个方程，得到用么表示的曰的表达式： 曰：v 4 ：丝f 一丝，( 3 1 3 ) 勿 舐。 引入的矢量磁位彳不仅作为一个过渡性函数，还有下列几种实用意义【3 7 】： 由斯托克斯定理可知通过曲面的磁通等于矢量磁位么沿这个面的边界线的闭合 线积分。这通常要比用b 计算容易。 由麦克斯韦第一方程的积分形式，可知通过么可计算感应电动势。 在二维场中，磁力线就是等彳线，因此可以利用彳来画磁力线。 由于磁场能量密度可以用矢量磁位和电流密度来表示，因此可以通彳计算磁场能 量。 在平面磁场中，电流密度矢量，与矢量磁位彳沿着z 轴方向，分别只有一个分量以 与也。在平面x o y 上，厶与以是坐标x ，y 的函数。将上式代入稳定磁场的基本方程式 中，得矢量磁位满足的偏微分方程为 v 2 心= 等+ 等一如 ( 3 1 4 ) 从以上推导可以看出，标量电位和矢量磁位满足泊松方程，标量磁位满足拉普拉斯 方程，这些方程统称为泛定方程。 3 2 3 位函数的边界条件 电磁场的分析计算通常归结为求微分方程的解。对于描述电机内部电磁场的偏微分 方程，使其解唯一的条件分为两种：一种是表达场的边界处的物理情况，称为边界条件： 另一种是确定场的初始状态，称为初始条件。目前电机电磁场问题主要研究没有初始条 件而只有边界条件的定解问题。电磁场问题的复杂性，在很多情况下表现为边界条件的 多变性。不同的问题，有不同的边界条件；同一问题在不同的情况下，也有不同的边界 条件。通常边界条件有三种隋况： 1 7 ( 1 ) 边界上的物理条件规定了物理量在边界上的值 “i r ：石( r ) ( 3 1 5 ) 这称为第一类边界条件。当物理量在边界上的值为零时，称为第一类齐次边界条件。 对于平面稳定电磁场问题，第一类边界条件为位函数给出有以下三种形式： 标量电位r ：伊= 铴 ( 3 1 6 ) 标量磁位r i ：= 。 ( 3 1 7 ) 矢量磁位r l ：4 = 4 。 ( 3 1 8 ) ( 2 ) 边界上的物理条件规定了物理量的法向微商在边界上的值 罢l = 灰( r ) ( 3 1 9 ) 这称为第二类边界条件。当的法向微商为零时，称为第二类齐次边界条件。对于平 面稳定电磁场问题，第二类边界条件用位函数给出，有以下三种形式： 标量电位r ：髦= 一警 ( 3 2 0 ) 标量磁位f 2 ：孕：一益 ( 3 2 1 ) u f l p 矢量磁位r ：娑：一堡 ( 3 2 2 ) 式中：d n 为电位移矢量的法向分量；色为磁通密度矢量的法向分量；皿为磁场强 度矢量的切向分量；，为磁阻率，即磁导率的倒数。 ( 3 ) 边界上的物理条件规定了物理量与其法向微商在边界上的某一线性关系 + 罢) i = 六( 1 1 ) ( 3 2 3 ) d 门l r 式中穆、为常数，称为第三类边界条件。 研究电磁场问题时，般用第一类和第二类边界条件。 3 2 4 位函数的边值问题 泛定方程与边界条件合在一起，构成了边值问题，它是待求物理问题的数学模型。 在平面线性稳定电磁场中，标量电位、标量磁位和矢量磁位的边值问题应分别为： 标量电位 1 8 p s i i 垫矿，号 一 生酽驴空锄 c ； l r 山东理工大学硕_ 上学位论文 第3 章永磁电机常用磁场分析方法及有限元法原理 标量磁位 矢量磁位 q ：婆+ 磐：o 苏 砂 r i ：= o r ：监：一盈 篓号 k 却yi r l ：4 = 4 。 n 丝：一里 l 咖 yi q ：垂+ 垂：一 融1 匆1p 上述三式可统一写成r l ：甜= r ，：丝：一里 a nb ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) 该边值问题需要解决的问题是：在给定的求解区域和边界条件下，根据已知的物理 规律，求解某个物理量“随坐标( x ，y ) 的变化规律。在许多工程电磁场问题中，难于得到 问题的解析解，因此需要利用变分原理找出与其等价条件的变分问题。 3 3 有限元法简介【3 5 】 3 3 1 变分问题 由上节分析可知，电磁场分析中常用的微分方程可以写成算子方程形式： 死= 厂( 3 2 8 ) 由算子方程的变分原理可知，求解算子方程的问题可转化为与之等价的变分问题， 即求泛函的极值问题。泛函的形式为： 1 j ( 甜) = ( 3 2 9 ) z 式中，丁为微分算子；材为待求函数；厂为给定函数。 3 3 2 有限元算法原理 ( 1 ) 单元剖分 利用有限元算法求解的第一步是将求解域划分成有限个单元。下面给出一些常用的 1 9 山东理t 人学硕：i ：学位论文第3 章永