[机械毕业论文]汽车发电机结构设计【专业答辩必备资料】 .pdf

西南大学本科毕业论文 设计 目录 摘要摘要 1 abstract 2 文献综述文献综述 3 1 引言引言 7 2 永磁发电机的设计永磁发电机的设计 7 2 1 转子的设计 7 2 1 1永磁体的确定 7 2 1 2 转子结构的设计 11 2 2 定子的设计 14 2 2 1 绕组部分数据的计算 14 2 2 2 确定定子主要尺寸 16 2 3 磁路和磁路参数及其阻抗的计算 17 2 3 1 磁路和磁路参数的计算 17 2 3 2 阻抗计算 22 2 4 回复直线起始点和稳态短路电流计算 24 2 4 1 电枢反应去磁作用的等值磁导 24 2 4 2 sc f 计算 25 2 4 3 稳态短路时的磁通 25 2 4 4 稳态电路时的纵轴内电势 25 2 4 5 稳态短路时的内角 25 2 4 6 稳态短路电流 25 2 4 7 稳态短路电流 26 2 5 解磁铁工作图和验算 26 2 5 1 设定坐标 26 2 5 2 求回复直线 26 2 5 3 空载煮磁通 26 2 5 4 波形系数 26 西南大学本科毕业论文 设计 2 5 5 空载内电势 26 2 5 6 aq x的计算 26 2 5 7 确定负载时的内角 n 27 2 5 8 确定负载时纵轴电枢反映磁势 27 2 5 9 负载磁铁工作图 27 2 5 10 计算额定负载时的纵轴内电势 28 2 5 11 按额定数据计算 d e 28 3 永磁发电机电子稳压电路的设计永磁发电机电子稳压电路的设计 28 3 1 永磁发电机特性分析 28 3 2 目前永磁发电机电压的调节方法 29 3 3 永磁发电机电压调节器的电路组成示意图 30 3 3 1 基准电路和电路保护电路 30 3 3 2 采样检测电路和比较电路 31 3 3 3 触发电路 31 3 4 发电机电压调节器电路及其工作过程 31 3 4 1 电压调节器电路组成 31 3 4 2 电压调节器电路的工作原理及其过程 32 4 性能试验性能试验 32 5 结论结论 33 参考文献参考文献 34 致谢致谢 35 西南大学本科毕业论文 设计 1 14v 车用永磁发电机及其电压调节器的研制 赵 亮 西南大学工程技术学院 重庆 400715 摘要摘要 本文介绍了车用发电机的发展现状和发展趋势 阐述了永磁发电机对比硅整流励磁发电 机所具有的优势 同时分析了目前制约车用永磁发电机应用的几个主要因素 文中主要内容包 含了永磁发电机的设计 具体为永磁材料的选用 转子的结构设计 定子的设计等 和电压调 节器的的设计 采用桥式半控整流电路来控制永磁发电机的输出电压 并对其技术可行性以及 电压调节电路的工作过程进行了分析 结合车辆对发电机的性能要求设计出一种经济实用 工 作稳定的车用永磁发电机 关键词关键词 车用发电机 永磁发电机 电压调节器 整流稳压 西南大学本科毕业论文 设计 2 design on pm generator of 14 volt used in vehicle zhao liang college of engineering and technology southwest university chongqing 400716 china abstract this paper introduces the status and development trends of automotive magneto and expounds the advantage of magneto against silicon rectifier also it analyzes several major factors which constraints application of automotive magneto at present it contains the design of automotive magneto the select of permanent magnet material the structural design of rotor the design of stator and the design of voltage regulator armature in this paper the paper uses semi controlled bridge rectifier circuit to control the output voltage of automotive magneto and analysis its technical feasibility and the process of voltage regulate circuit in finally it designs an economical practical and stable performed automotive magneto combining the function and requirements of vehicles to the generator key words motor generator magneto voltage regulator armature commutate and voltage regulator 西南大学本科毕业论文 设计 3 文献综述 随着我国改革开放的深入 国民经济的发展 汽车工业作为我国主要的产业之 一得到也迅猛的发展 同时也带动了汽车电机行业的大发展 发电机作为汽车及其 它车辆的重要配件其发展经历了从直流发电机到交流有刷励磁发电机到交流无刷 励磁发电机的更新换代的漫长过程 在汽车技术高度发展的今天 汽车电器的容量 大幅度增长 20 世纪 80 年代以来 随着人们对汽车乘坐舒适性 燃油经济性 排 放环保性要求的日益提高 最简单的办法是采用电子控制装置及其执行机构 而这 些装置和机构都是用电设备 也就是说要求的电功率越来越大 由于电能具有传输 简便 转换容易 控制灵活等一系列优点 采用电磁或电动执行器取代液压传动和 气压传动执行器已成为一种趋势 目前汽车电源广泛采用双电源 即蓄电池和发电机组成的并联供电电路 蓄电池 主要在启动时及时供应极大电流以保证电起动机在短时间内启动发动机 而发电机是 在发动机正常使用后继续供应全车电路所需用电并即时给蓄电池补充充电 汽车发电 机是将发动机的机械能转换为电能 因而需要消耗发动机的功率 现代汽车由于用电 器的增加 最大的用电功率已达到20 30kw 这就要求汽车电气提供更高的电能 这 使得研制出一种新型的车用发电机 满足汽车电气的需要成了一种必然 1 国内外研制发展状况及其发展趋势 汽车工业是国民经济发展的支柱产业 电机是汽车电气系统的关键部件 离开了 电机 汽车的先进性即无从谈起 随着汽车电气化和自动化程度的不断提高 不仅汽 车上的电机数量在增加 而且对电机的性能也提出了更高的要求 据统计 2006年我 国生产汽车680万辆 社会保有量2000万辆 考虑10 的维修更换和其它车型 依此 计算每年对车用发电机的需求量为700多万台 10 汽车发电机的发展经历了从直流发 电机到交流有刷励磁发电机到交流无刷励磁发电机的更新换代 而在所有的电机中 除车用发电机外 几乎所有品种的电机均有被永磁电机取代的趋势 一些发达的国家 投入了大量资金来研制永磁发电机 车用永磁发电机 以期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 目前国外一些汽车工业比较发达国家因其研究 时间较早 国外发电机调节器已实现集成电路化 调节精度高 稳定转速特性及温度 西南大学本科毕业论文 设计 4 补偿特性好 体积小 可靠性高 我国因为汽车工业发展比较晚 目前国产调压器的 可靠性比较差 严重影响及普及 其中主要的差距有 1 产品可靠性差 国产车 用发电机的考核寿命只有3000小时 在国产汽车零部件中 发电机的故障率最高 达 百分之十四 2 产品结构不合理 通用性差 系列化程度低 在国外 车用发电 机作为一种标准化部件 已实现系列化生产 而国内车用发电机的开发都要根据不同 发动机厂不同型号发动机的技术要求和尺寸进行 发电机型号十分复杂 规格五花八 门 很难形成系列化 3 生产集中度低 不能形成经济批量 但我国有得天独厚 的各种磁性材料资源 对促进永磁发电机的发展提供了广阔的取材途径 我国在永磁 发电机的研制方面有着广阔的发展前景 2 永磁发电机与硅整流发电机比较其具有的优点 1 结构简化 工作可靠 永磁发电机转子由于没有了励磁绕组 也就没有了普通发 电机存在的励磁电路 断路 绝缘损坏等一些故障的发生 同时结构也更加简单 紧 凑 大大提高了工作可靠性和使用寿命 2 效率高 能耗小 永磁发电机由于取消了励磁绕组 因而没有励磁损耗和杂散损 耗 此外 由于外转子表面光滑 风阻小 风摩耗也小 因此 永磁发电机比同功率 的普通发电机可提高效率1o 15 稳压精度高 能防止过充电 即能减少发动 机机械能的消耗 结果是节省燃油 3 3 比功率大 在发电机电磁参数相同的情况下 永磁发电机发热少 输出功率大 永磁转子比电磁转子重量轻 可提高电功率15 2o 4 低速供电性能好 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 5a节省下来的 励磁电流 大大改善了低速供电性能 5 延长蓄电池使用寿命 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 也不会过充 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 可控硅桥式半控整流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 极化消除 效果更好 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 西南大学本科毕业论文 设计 5 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 固 而蓄电池的容量可增加 有些因容量不足而报废的蓄电池 通过使用永磁发电机 容 量显著增加 叉可以继续使用 也相当于提高了蓄电池的寿命 6 具有短路和极性错接保护功能 当发电机输出端短路或蓄电池极性错接时 相应 的保护电路采 集到故障信息 与基准信号进行比较 比较电路得出结果后 立即切断触发信号 可 控硅截止 实现对发电机及其相偳线路的保护 7 输出电压不稳定 电压波动较大 永磁发电机的输出电压随着汽车的转速发生变 化而变化 而目前广泛应用的硅整流发电机是通过砺磁电流改变发电机励磁磁场的方 法来调节电压 这种方法具有技术成熟 控制稳定的特点 3 本课题的设计难点 现在汽车上使用电励磁的硅整流发电机是通过调节励磁电流来控制发电机的输 出电压 故而很容易实现以控制小电流达到控制大电流的目的 而且这方面的技术比 较成熟在工作时输出电压稳定 但通过这种方法调节的发电机仍存在着效率不高且怠 速时输出特征只是满负荷时输出的1 4 低速发电性不好 可靠性差 工艺复杂 寿 命短 故障率高 特别是在多个电器同时使用的情况下因所需功率较大而无法实现等 缺点 永磁发电机具有结构简单 功率大等特点正好祢补了硅整流的发电机的不足 使永磁发电机能过在不同转速下稳定的输出电压 满足工作的需要 但在永磁发电机 的设计中仍存在着两个难点 第一如果设计或使用不当 永磁发电机在过高的温度时 在冲击电流产生的电枢反应作用下 或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁 或叫失磁 使电机性能降低 甚至无法使用 因此 即要研究检查永磁材料热稳 定性的方法和装置 又要分析各种不同结构形式的抗去磁能力 以使在设计和制造时 保证永磁发电机不失磁 第二发电机制成后不需要外界能量即可维持其磁场 但也造 成从外部调节 控制其磁场为困难 这些使永磁发电机的应用范围受到限制 但是 随着电力电子器件技术的迅猛发展 用磁发电机在应用中可以不必进行磁场而进行电 机输出控制 但在目前电压输出调节电路仍然存在一定困难 尚没有独立的电子器件 能独立完成因此设计时需要将永磁发电机结构 电力电子器件和控制电路结合起来 是发电机电压稳定输出 4 永磁发电机电压调节器的简介 永久磁铁充磁后的磁特性是不可调的 发电机负载运行时 由于电枢反应的作 西南大学本科毕业论文 设计 6 用和电阻压降的影响 输出电压随负载变化 因此 永久交流发电机的电压稳定性 较差 如何在变转速变负载工况下保持输出电压的稳定 是车用永磁发电机研制的 关键技术 为了达到一定的稳压要求 需有专门措施 但是 稳压要求往往与电机 的经济性 运行特性和结构简单性相矛盾 目前还未完善 永磁发电机其磁场是固 定的 输出电压将随转速和负载的变化而变化 由于交流发电机随转速升高 阻抗 也增大 而产生限流作用 在负载不变的情况下 可以保持其输出电压不致过高 在要求不高的场合可凑合使用 但实际上 即使负载不变 转速改变时 输出电压 还是变化的 存在低速灯光暗淡 高速易烧灯泡的缺点 电压调节器最简单设计的办法是适当选择发电机的电磁参数 外特性曲线设计 得比较平坦 使负载运行时电压降不超过允许值 设计时可由电和磁两个方面着手 前者包括减小电枢绕组的电阻和漏抗 减小电枢反应磁势 后者包括选用可逆导磁 率小的永磁材料 增加磁铁长度 提高气隙磁密 选择较大的漏磁系数或选用高矫 顽力的永磁材料 为了减小绕组电阻 必须增加导线截面积和槽面积 引起电机有 效材料和结构材料的增加 由于电阻对外特性的影响不大 因此不宜过分地增大导 线的截面积 为了减小绕组的漏抗 可以适当选择宽而浅的槽形 或增加气隙磁通 以减少电枢绕组的匝数 同时降低电枢反应磁势 但这会使电机的重量 外形尺寸 和磁铁的体积增大 并使短路电流增加 增加磁系统的漏磁导可以降低纵轴电枢反 应磁势对磁铁的去磁作用 但也会降低空载有效磁通 所以漏磁系数也不宜过大 车辆用永磁发电机采用永磁体励磁 省去了碳刷 滑环装置及电励磁绕组 具 有结构简单 维护方便 效率高 寿命长等优点 但由于永磁发电机的动态特性比 电励磁发电机的动态特性复杂 配套使用电子稳压器后更难以描述发电机系统的动 态特性 因此 根据设计参数对电子稳压器的动态过程进行数字仿真就显得十分必 要 在样机试制出之前预知发电机的动态性能 可为该发电机的优化设计方案提供 依据 5 本课题的设计思路 永磁发电机的结构部分考虑到车用发电机的性能参数和工作环境 比较圆柱形无 极靴星形转子结构和爪极式结构的特点和适用条件 选择爪极式作为此次发电机设计 的转子结构 发电机电压调节器的设计方案选用可桥式半控整流稳压方案 调节器的 电路中3个整流二极管组成整流半桥 3个可控硅组成控制半桥 可控硅的触发电路基 准电路 采样检测电路 比较电路和保护电路等构成 西南大学本科毕业论文 设计 7 1 引言 随着汽车工业的不断发展 汽车结构和性能不断完善提高 人们对汽车安全性 舒适性 和智能化的要求 使得汽车上装配的电器越来越多 随之而来的是汽车电 能消耗成倍的增加 给汽车电源和供电系统带来了极大的压力 目前汽车发电机主 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 而 且转子的励磁绕组易烧毁 断线 消耗电能多 必须由蓄电磁提供励磁电流才能发 电 这样势必增加了汽车的成本 一种硅整流发电机带有碳刷滑环结构 滑换直径 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 因此有必要研究无 电励磁绕组 无碳刷滑环结构 转子为永磁材料的发电机以及一种相对应的集稳压 整流为一体的发电机电压调节器 2 永磁发电机的设计 设计爪极式永磁同步发电机 根据目前车用发电机的实际功率和工作电压设计 发发电机的技术指标 技术指标为 1 额定容量 p 1 5 千瓦 2 额定相电压 u 14 伏 3 额定相电流 i 36 安 4 功率因数 cos 0 85 5 相数 m 3 6 额定转速 n 3000 转 分 7 频率 f 500hz 冷却方式 自然冷却 2 1 转子的设计 2 1 12 1 1永磁体的确定永磁体的确定 1 永磁材料的选择 永磁发电机永磁材料的选择 应该结合车辆对发电机的性能要求 遵循以下原 西南大学本科毕业论文 设计 8 则进行选择 1 永磁材料能够产生足够大的气隙磁场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 3 经济性好 常用的永磁材料主要有三种 铝镍钴永磁材料 铁氧体永磁材料和稀土永磁材 料 这些材料的性能比较复杂 需要用多项参数来表示 主要有 1 退磁曲线 这 一曲线表征了永磁材料性能的两个重要参数剩余磁感应强度 br和磁感应强度矫顽 力 hc以及另一参数最大磁能积 bh max 从永磁材料的应用角度来分析 剩余磁感应强 度 br越大越好 最大磁能积越大 所用的永磁材料越省 矫顽力 hc越高 永磁体抗 外磁场干扰的能力越强 在磁化方向的厚度就可以越小 2 回复线 回复线与退 磁曲线两者相重合时 可以使永磁发电机的磁性能在运行过程中保持稳定 3 内 禀退磁曲线 内禀退磁曲线的形状矩形度越好 永磁材料的磁性能越稳定 而且它 与退磁曲线差别越大 永磁材料的抗去磁能力越强 4 稳定性 主要是热稳定性 磁稳定性 化学稳定性和时间稳定性 永磁材料的磁性能受温度 外磁场 化学因 素和使用时间长短的影响越小越好 由于车用发电机的转速变化范围较大 负载为电阻性 因此这种发电机性能的 好坏主要可以从两个方面体现出来 一是发电机低速输出电压 另一个是发电机高 速时的输出电压调节性能 永磁材料对发电机低速性能的影响 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 其中最主要的磁 性能参数是剩余磁感应强度 br和最大磁能积 bh max 铁氧体永磁材料的剩余磁感应 强度 br和最大磁能积都不高 如图 2 1 的退磁曲线 7 图 2 1铁氧体材料退磁曲线 fig 2 1the backs curve mag of the iron oxygen 西南大学本科毕业论文 设计 9 图 2 2铝镍铁材料退磁曲线 fig 3 2the backs curve of pm material of lvniegu 要提高发电机性能需要提高磁通的截面积 使发电机体积增大 铝镍铁材料的 br和最大磁能积都很高 远大于铁氧体 如图 2 2 的退磁曲线 对于设计同样性能 指标的发电机 可以使发电机的体积较小 因此考虑发电机的低速性能 选择铝镍 铁材料是比较好的 可以使发电机的低速性能得到较大完善 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提高 如将用 y30bh 铁氧体永磁材 料设计的 150w 皮带轮式永磁发电机的转子换成铝镍钴永磁材料 对发电机性能进 行比较 从发电机转速为 2o00r min 时的数据可以看出 采用铝镍钴材料的发电 机 低速输出电压更高 本次设计的车用发电机永磁材料选用铝镍钴 5 2 alnico5 2 它是一种高磁 能高矫顽力合金 这类磁钢是以铁镍铝为基础的采用浇铸法制造的合金 基本参数 为剩余磁感应 br 12500 高斯 矫顽力 hc 650 奥斯特 磁能积 bh 6 0 10 6 密度为 7 4 克 厘米 3 硬度 rc 50 它也是目前永磁电机中用得最多 最广的一类 磁钢 1 初步选择各系数 取极弧系数 0 80 均匀气隙 按公式得 kad 2 sin4 sin 2 1808 0 sin4 1808 0sin 14 3 8 0 0 0 0 81 纵向折算系数 kad 0 81 波形系数ka 1 11 漏磁系数 0 1 35 西南大学本科毕业论文 设计 10 磁势系数cf 1 15 短路电流系数 ki 3 bm0 0 8br 0 81000012500 高斯 hmh 0 65hc 0 65 5 422650 奥斯特 2 永磁体的结构参数 首先假设永磁发电机的负载为纯电感性的 纵轴电枢反应分量对磁铁的去磁作 用最大 当0cos 时 外特性曲线为一直线 利用三角形法求磁铁的体积 vm 154 3 2 0 00cos i i mhma adfn k k hfbk kcp 10 8 5 4221000050011 1 54 3 81 0 15 1 35 1 1500 13 32 10 8 102 5 厘米 3 当 cos 0 85 时 由图 8 2 查得 vm 0 125vm 故vm 102 5 1 0 125 87 厘米 3 圆环形磁铁外径 取 d 0 6 m 0 4 代入公式 8 36 dm 3 2 1 4 dm v 3 2 6 01 4 014 3 874 7 56 厘米 取 dm 7 6 厘米 圆环形磁铁内径 西南大学本科毕业论文 设计 11 dmi d dm 0 6 7 6 4 56 厘米 取 dmi 4 6 厘米 圆环形磁铁长度 lm mdm 0 4 7 6 3 04 取 lm 3 厘米 磁铁总截面积 sm 4 d 2 m d 2 mi 4 7 6 2 4 62 36 6 厘米3 电机极对数 p n f60 10 3000 50060 磁铁截面积 每对极 sm p 1 sm 10 1 36 6 3 66 厘米 2 磁铁实际体积 vm smlm 36 6 3 109 8 气隙选择 在设计电机时 选择气隙 时应考虑到发电机的过载能力 静态和动态稳定型 增大 能提高电机的过载能力和稳定性 但电机经济性较差 取08 0 厘米 2 1 2 转子结构的设计转子结构的设计 1 爪形选择 爪极式转子由两个带爪的法兰盘和一个圆环形永久磁铁组成 图 2 3 为具体结 构 左右为两个带爪子的法兰盘 二者爪数相等 且等于极数的一半 在设计中每 一个法兰盘的爪数等于 5 工作时两个法兰盘对合 二者爪子互相错开 沿圆周均 匀分布 圆环形永久磁铁夹在两个带爪子法兰盘中间 使一个法兰盘上的爪子皆为 n 极 另一个法兰盘上的爪子皆为 s 极性 西南大学本科毕业论文 设计 12 图 2 3爪极式永磁转子的结构图 取简单的等宽爪极 材料为 10 号钢 2 极距 96 1 20 54 12 2 p dr 厘米 3 爪宽 568 1 96 1 8 0 c b厘米 取 bc 1 57 厘米 4 实际极弧系数 8 0 96 1 57 1 e b 01 5 爪长 取3 mc ll厘米 6 初步估计所需爪根截面积 取3 1 34 0m b 0 8br 35 1 0 bcr 8500 代入公式 8 41 cr mm cr b bs s 0 034 850035 1 100003 166 3 4 15 厘米 2 7 初步估算爪根高度 e cr e b s h 64 2 57 1 15 4 厘米 西南大学本科毕业论文 设计 13 8 初步估算法兰盘的最大截面积 取 rm bb8 0 0 9500 f b高斯 按公式 8 42 9500 125008 0 66 3 0 f m mf b b ss3 85 厘米 2 9 初步估算法兰盘的厚度 按公式 8 43 6 46 7 85 3 102 2 mim f f dd ps b2 01 取 f b2 厘米 10 磁铁外面的非磁性套筒厚度 磁铁外圆的表面线速度 2max 10 60 nd v m m 2 10 60 60006 7 23 9 米 秒 在磁铁外面加非磁性套筒 取厚度 5 0 厘米 11 爪极转子尺寸设计 根据以上数据 确定爪极转子各部分的尺寸 如下图 4 1 所示 12 爪极实际高度 2 1 2 1 mrc ddh 12 54 7 6 0 5 1 97 厘米 13 爪根的实际截面积 cccr bhs1 97 1 57 3 09 厘米 2 14 转子外径 按公式 8 40 dr 1 65 7 6 12 54 厘米 考虑到现有加工设备的精度 取定子铁心内径 d 12 6 厘米 54 1208 0 2 6 122 ddr厘米 15 爪尖径向高度 取3 0 2 c h厘米 西南大学本科毕业论文 设计 14 16 爪极内侧斜角 3 3 097 1 121 tg l hh tg c cc c 32 3 o 17 爪极轴向中心处的高度 图 4 1 14 1 3 097 1 2 1 2 1 20 ccc hhh厘米 18 核算 hc0的极限值 在图 4 1 中 o1 点处的极距 102 3 0254 12 2 2 2 p hd cr 1 87 因 b c c c 故 1 o 点处相邻的异极爪子不会接触 r l 19 转轴非磁性轴套及其厚度 一般的永磁转子轴都采用不导磁材料如青铜 镍基不锈钢等制成 以免磁短路 但这些不导磁材料的刚性和强度都很差 且成本高 本设计中采用刚轴加单极隔磁 的结构 可提高强度 降低成本 取8 0 厘米 20 隔磁套材料的选择 材料必须是非导磁材料 强度 硬度 刚性适当高为好 经过设计以及查询各 种材料机械特性 zl111 铝合金 一般黄铜和青铜材料均能满足要求 本设计将选 用 zl111 铝合金 21 转轴直径 1 2 min dd4 6 2 0 8 3 厘米 22 法兰盘计算截面积 每对极 p bdd s fmif i 2 102 2 6 46 8 4 14 厘米 2 2 2 定子的设计 2 2 1 绕组部分数据的计算绕组部分数据的计算 1 初步估计空载有效磁通 西南大学本科毕业论文 设计 15 0 0 0 mm u bs 35 1 125008 066 3 27111 麦克思韦 2 初步估算空栽电势 5 17 8 0 14 8 0 0 n u e伏 3 每相电枢绕组匝数 取924 0 w k 按公式 8 66 8 0 0 10 4 ubk fk e 8 10 27111924 0 11 1 5004 5 17 31 4 匝 取 32 匝 4 每极每相槽数 取分数槽绕组 5 1 1 q 5 总槽数 s z2mpq 2 3 10 5 1 172 6 绕组节距 采用双层短距迭绕组 每极槽数 6 3 102 72 2 p z z s s 绕组节距 yi 3 833 0 6 3 3 i s y z 7 绕组系数 基波 966 0 90833 0 sin 2 sin 0 y k 因 5 1 1 q b 1 c 1 d 5 故 6151 cdbq 0 0 0 10 6 6060 q r 西南大学本科毕业论文 设计 16 956 0 2 10 sin6 2 10 6sin 2 sin 2 sin 0 0 r q r q kp 924 0 956 0 966 0 pyw kkk 8 并联支路数 取 24 9 每槽导体数按公式 8 74 pq un 2 5 1 110 324 10 67取11 n u 10 初估导线截面积 取 j 5 安 毫米 2 j i q n c 2 0 54 36 1 8 毫米 2 11 确定导体规格和截面积 采用 qz 2 漆包线 两根并绕 根据附录二导线标准取裸导线直径08 1 2 毫米 导 线截面积 2916 0 1 832 毫米 2 12 实际电流密度 832 1 4 32 2 cn n q i i 4 36 安 毫米 2 13 电枢线负荷 d izu a nn 2 6 124 361172 180 2 安 厘米 2 2 2 确定定子主要尺寸确定定子主要尺寸 1 空气隙和定子铁心内径 0 8 毫米 d 12 6 厘米 2 定子铁心长度 ms ll 3 厘米 3 初步估计定子槽面积 取 1r k0 36 按公式 8 77 西南大学本科毕业论文 设计 17 56 36 0 832 1 11 1 0 r cn n h qu s毫米 2 0 56 厘米 2 4 硅钢片 采用 0 5 毫米厚的 d42 硅钢片 5 初步估算定子齿宽 取93 0 fc k 10000 zs b高斯 按公式 8 80 szsfc u zs lzk p b 0 2 3100007293 0 801 0 27111102 0 337 厘米 6 初步估算定子轭高 取8000 as b高斯 按公式 8 81 3800093 0 2 27111 2 0 sasfc u as lbk h 0 607 厘米 7 定子冲片设计 考虑工厂冲片的通用化以及实际加工水平 取的定子冲片尺寸如图所示 8 定子冲片外径如上图所示 75 16 s d厘米 2 3 磁路和磁路参数及其阻抗的计算 2 3 1 磁路和磁路参数的计算磁路和磁路参数的计算 磁路计算的主要任务是在已知永磁材料和磁路尺寸的条件下 算出求解磁铁 工作图所需的各项数据 并根据磁铁工作图的求解结果调整磁路尺寸 使磁铁达到 最合理的利用 1 计算极弧系数 i 根据公式 8 86 西南大学本科毕业论文 设计 18 1 6 4 i 801 0 1 6 08 0 87 1 4 801 0 0 876 2 气隙轴向长度 08 0 232 rb ll3 16 厘米 3 气隙磁通 按公式 8 83 bbiub bl 0 876 b b16 3 87 1 5 18bb 4 卡特系数 齿距 72 6 12 s s z d t0 55 厘米 按公式 8 94 10 10 ss s b t t k 08 0 1018 0 55 0 08 0 1055 0 1 15 5 气隙磁势降 按公式 8 93 bbbb bbkf15 108 0 6 16 12 0 147 b b 6 定子齿部磁密 按公式 8 96 szsfc bbs zs lbk bli b 3337 0 93 0 16 3 55 0 b b 85 1 b b 高斯 7 定子齿高计算高度 一般电机设计的公式 利用图 2 的尺寸 2 67 0 dhl zszs 1 62 067 0 1 47 厘米 西南大学本科毕业论文 设计 19 8 定子齿部磁势降 zszszszszs hhhlf94 2 47 1 222 安 导体材料的 b h 曲线 可参阅 永磁发电机上 附录一 9 定子轭部高度 2 2 1 zssos hddh 6 12 6 1275 16 2 1 0 95 厘米 10 定子轭部磁密 按公式 8 98 sosfc b as lhk b 2395 0 93 0 2 18 5 b b 0 98 b b 高斯 11 定子轭部长度 102 95 0 75 16 2 p hd l oss os 2 48 厘米 12 定子轭部磁势降 osososos hhlf 48 2 13 漏磁导 oc g 两端的磁势 2 oszsb fff 2安 14 极间漏磁导计算 1 爪形极靴侧面之间的漏磁导 1o g 按公式 4 157 其中 c bb 1 87 1 57 0 3 厘米 47 1 95 0 6 744 12 2 1 2 1 1 osmro hddh厘米 204 0 47 1 3 0 1 o h b 由图 4 73 查得4 0 1 k 西南大学本科毕业论文 设计 20 c cos o lk b lh g 101 4 2 1 34 0 3 0 395 0 4 4 0 2 1 24 6 麦克斯韦 安 2 爪极与磁铁之间的漏磁导 由图 4 74 查得 k2 2 3 代入公式 4 158 63 23 47 1 57 1 2 1 4 02 2 2 1 02 mm c c npo lkl h b kg 3 21 麦克斯韦 安 3 爪极漏磁导 oc g 21oooc ggg24 6 21 3 9 45 卖克斯韦 安 15 爪极之间的漏磁通 ocozsbsc gfff 22 1 22 9 45 1ozsb fff 麦克斯韦 16 爪极的计算磁密 按公式 8 111 324 0 09 3 scb scb cr scb cr s b 17 爪极部分的磁势降 按公式 8 113 cccf c cr hhhb l f7 2 2 3 2 2 22 安 18 法兰盘中的计算磁密 按公式 8 114 2597 0 85 3 scb scb f scb f s b 高斯 19 法兰盘中的磁势降 按公式 8 116 西南大学本科毕业论文 设计 21 fffmfo hhhddf9 6 4 6 13 2 11 安 20 铁之间附加气隙的磁势降 利用公式 8 118 其中取005 0 1 o 厘米 66 3 005 0 222 101 scb m scb o s f 1073 2 3 scb 安 21 附加气隙的磁阻 31 1 1073 2 22 scb o o f g 安 麦克斯韦 22 磁铁漏磁导 sm g 因电机采用磁性转轴 应考虑磁铁经过法兰盘 非磁性轴套和转轴闭合的漏 磁通 gsm1和 gsm2 计算时忽略转轴的磁阻 1 漏磁导 gsm1 平均截面积 1 o s 20 2 6 26 4 2 p bdd fbmi 26 2 厘米 2 计算长度 2122 1 is l厘米 得 1 1 01 s o sm l s g 946 0 3 26 2 4 0 麦克斯韦 安 2 漏磁导 1022 3 6 26 4 22 2 p ldd g mbmi sm 70 1 厘米 2 212 1 2 ss ll厘米 西南大学本科毕业论文 设计 22 折算到磁铁两端的 2sm g 534 0 2 70 1 4 0 2 1 2 1 2 2 02 o o sm l s g麦克斯韦 安 3 漏磁导 21smsmsm ggg0 946 0 534 1 48 麦克斯韦 安 23 合成磁势降 22222 12 o fcroszsbm ffffffff 安 24 漏磁通 sm msmmsm fgf48 1 25 磁铁总磁通 smscbm 麦克斯韦 2 3 2 阻抗计算阻抗计算 1 绕组平均匝长 按工厂绕线模尺寸 绕组平均匝长 4 38 1 s l厘米 2 0 20 c 时每相绕组电阻 按公式 8 119 r 25700 20 10 cm s q l c 4832 1 5700 32 4 38 0294 0 欧姆 3 c 0 75时每相绕组电阻 r 20 5 234 75 5 234 0294 0 0358 0 欧姆 4 绕组漏磁导系数 根据一般电机设计的公式计算 1 槽部漏磁导系数 os 833 0 5 31833 0 313 2 k 西南大学本科毕业论文 设计 23 17 4 67 1 833 0 367 1 3 1 k 2 3 2 31 0 4 1 6 1 5 1 4 2 1 3 1 2 2 1 ssnnnnnn os h b h b h k bb h k b h bd h 8 1 8 0 8 18 2 4 02 8 2 2 1 5 3 8 25 3 4 10 17 4 5 3 3 0 5 34 3 4 82 31 0 4 1 2 585 2 端部漏磁导系数 cs 64 0 34 0 s s cs l l q 833 0 87 1 64 0 66 3 3 2 1 34 0 362 0 3 差漏磁导系数 ds s s ds 45 5 8 1 8 0 45 8 1 8 0 5 801 0 253 0 4 253 0 362 0 585 2 dscsos 18 3 182 3 5 每相绕组漏抗 按公式 8 121 pq lf x s c 2 100 100 158 0 西南大学本科毕业论文 设计 24 18 3 2 110 3 100 32 100 500 158 0 2 064 0 欧姆 6 系数 ad k和 aq k 按公式 7 33 和 7 34 801 0 2 1 sin 4 801 0 sin801 0 2 sin4 sin ad k 0 81 2 801 0 sin 4 2 801 0 cos 3 2 801 0 sin801 0 2 sin4 2 cos 3 2 sin aq k 0 56 7 横轴电枢反应电抗 由后面第十节项 7 计算结果 cq x0 144 8 横轴同步电抗 cqcq xxx0 064 0 081 0 145 2 4 回复直线起始点和稳态短路电流计算 采用稳态短路电流稳定 根据第 永磁发电机 第 7 11 节表 7 1 的方法计 算 2 4 1 电枢反应去磁作用的等值磁导电枢反应去磁作用的等值磁导 系数 o c 和 ad c可利用公式 7 1 和 7 29 计算 8 104 kfkc bo 8 10924 0 3208 1 5004 3 10639 0 ad w ad k p k mc 9 0 81 0 10 924 0 32 39 0 6 467 西南大学本科毕业论文 设计 25 代入公式 6 16 467 6 10639 0 56 0 0358 0 064 0 3 2 2 ado aq c dh cc x r x g 16 04 麦克斯韦 安 2 4 2 sc f 计算计算 b b dh u sc b b f323 0 04 16 18 5 安 2 4 3 稳态短路时的磁通稳态短路时的磁通 135000 hmh kd麦克斯韦 90000 hhsh dc麦克斯韦 45000 hnub dc麦克斯韦 2 4 4 稳态电路时的纵轴内电势稳态电路时的纵轴内电势 dh e ubo c 4500010639 0 3 28 8 伏 2 4 5 稳态短路时的内角稳态短路时的内角 按公式 6 25 r x tg q h 1 1 tg 0358 0 145 0 0 13 76 2 4 6 稳态短路电流稳态短路电流 利用公式 7 80 222 cos aqo dh h xxr e i 2022 13 76cos56 0 064 0 0358 0 8 28 48 安 西南大学本科毕业论文 设计 26 2 4 7 稳态短路电流稳态短路电流 26 1 38 48 n h i i i k 2 5 解磁铁工作图和验算 2 5 1 设定坐标设定坐标 根据图 8 19 得磁曲线的横坐标为 0 8 n l 0 84 23 厘米 纵坐标为 m s 3 66 厘米 2 5 2 求回复直线求回复直线 3 66 3 58 2 4 04 0 m m rm l s g 4 麦克斯韦 安 2 5 3 空载煮磁通空载煮磁通 空载总磁通142000 0 oom da 空载漏磁通43000 ooso dc 空载有效磁通99000 oouo ca 2 5 4 波形系数波形系数 按公式 7 2 i i b k 2 sin 9 0 7 0 907 0sin 9 0 0 14 1 2 5 5 空载内电势空载内电势 8 104 uobo fke 8 1099000924 0 3214 15004 66 7 伏 2 5 6 aq x的计算的计算 当99000 uo麦克斯韦时 西南大学本科毕业论文 设计 27 19111 18 5 99000 18 5 uo b b高斯 149019111156 0 2 1 b f安 adno ki p k mf 45 0 81 0 36 10 924 0 32 345 0 116安 081 0 56 0 1490 116 36 7 66 aq b o n o aq k f f i e x 2 5 7 确定负载时的内角确定负载时的内角 n 以85 0 cos 526 0 sin 代入公式 8 134 n riu xiu tg nn qnn cos sin 1 0358 0 3885 0 135 145 0 38526 0 135 0 4 33 2 5 8 确定负载时纵轴电枢反映磁势确定负载时纵轴电枢反映磁势 sin9 0 nadad ih p k mf 0 4 33sin3681 0 10 924 0 32 39 0 128 安 初步假设额定负载时的140000 m麦克斯韦 85000 u麦克斯韦 0d k处 于 0 695 0 698 之间 1d k处于 0 184 0 16 之间 取697 0 0 d k 165 0 1 d k 2 89128697 0 ad f安 1 21128165 0 ad f安 2 5 9 负载磁铁工作图负载磁铁工作图 在磁铁工作图的k 点水平线上取 2 89 1 ad fko 过 1 o 点作km线的水平线 与 og 线相交于 2 a 点 过 2 a 作水平线 与 km 线交于 1 a点 1 a点即为额定负载工作 西南大学本科毕业论文 设计 28 点 141000 21 da m 麦克斯韦 56000 220 dc麦克斯韦 85000 22 ca u 麦克斯韦 2 5 10 计算额定负载时的纵轴内电势计算额定负载时的纵轴内电势 8 104 ubd kfke 8 1085000924 0 3214 1 5004 135 7 伏 2 5 11 按额定数据计算按额定数据计算 d e 按公式 8 141 43 2 4 33cos081 0 36cos 0 naqnaq xie 按公式 8 139 2 1 2 2 1 2 sin cos aqnnnnnd exiuriue 2 1 222 43 2 064 0 36526 0 135 0358 0 3685 0 135 137 伏 与项 10 的计算结果相近符合设计要求 3 永磁发电机电子稳压电路的设计 3 1 永磁发电机特性分析 根据电磁感应原理 发电机的感应电动势为 nce 一般交流发电机的端电压为 rr r cireu n 由上式中 e 感应电动势 v c 发电机结构系数 每极磁通 wb n 发电机转速 r 分 u 发电机端电压 v r 发电机定子绕组的阻抗 r 负 载电阻 西南大学本科毕业论文 设计 29 由上式可以看出 发电机的端电压与发电机的结构常熟 转速 磁通 负载电阻及 定子绕组的阻抗有关 对于永磁发电机 由于其转子采用永磁结构 工作时的旋转磁通是不变的 而 发电机在汽车上是由发电机按固定的传动比驱动旋转的 其转速随发动机转速变化 而在一定范围内变化 定子绕组的阻抗也随转速的变化而相应变化 并且发电机的 负载大小也不是固定不变的 因此在结构常数一定的条件下 保持发电机端电压平 均值稳定 就是要保持发电机在转速和负载变化时输出电压的稳定 3 2 目前永磁发电机电压的调节方法 永磁发电机的电压调节方法很多 目前典型的电压调节方法主要有 1 调整发电机的电磁参数来稳定电压 这是一种最简单的方法 即适当选择发电 机的电磁参数 使外特性曲线设计得比较平坦 使负载运行时电压降不超过允许值 2 电容器稳压包括 串联电容器 并联电容器 可控电容器稳压及非线性电容器 稳压 3 采用可控饱和电抗器来稳定和调整电压 4 用改变电枢轭部磁导来调整电压 5 机械离心式恒压发电机开关控制式 6 并联式 串连式电子调节器 该类型调节器是目前应用较多的稳压方式 该种 稳压方式主要是根据设计要求 通过控制电路控制可控硅导通角的大小 来保证发电 机输出设定的电压 7 可