五相稀土永磁发电机及控制器设计

SHANDONG毕业设计说明书五相稀土永磁发电机及控制器设计学 院：电气与电子工程学院 专 业： 自动化0801班 学生姓名： 郑秀征 学 号： 0812106883 指导教师： 杜钦君 2012年6月摘 要摘 要随着汽车行业技术的进步，对车用电机的要求也越来越高。目前车用电源多为硅整流发电机的14V电源系统，其已不能满足车内的电器用电量。本课题设计的五相稀土永磁同步发电机42V电源解决了此问题。五相稀土永磁同步发电机，无励磁绕组发电效率高，加之具有多相发电机的优势电压波形波动较小运行稳定。本课题主要设计了三方面的内容。首先，由发电机的额定数据出发设计了发电机的定子和定子冲片尺寸、定子绕组、转子结构和转子尺寸、永磁体的选择和磁极尺寸计算等问题。其次，应用Ansoft maxwell电磁场仿真软件，对发电机的静磁场进行了仿真。建立发电机的几何模型，给模型各个模块定义材料属性，设置激励源和边界条件，设置求解参数。求解分析之后，观察了发电机的磁力线分布图和磁通密度分布云图，通过观察磁场分布验证了电机设计的合理性，同时优化了电机定子外径尺寸。最后，设计了发电机的稳压控制器。控制器的主电路为五相全桥不可控整流电路和直流降压斩波电路，通过检测电压偏差信号，由单片机控制来改变降压斩波电路触发脉冲的占空比，即通过控制NMOSFET管的导通和关断时间来达到稳压要求。关键字：五相稀土永磁同步发电机，Ansoft Maxwell，稳压控制器IAbstractAbstractAlong with the development of the auto industry technology and the requirements of the motor vehicle is more and more higher. Vehicle power supply at present mostly for silicon rectifier generator of 14V power supply system, and its already cannot satisfy the electric power consumption of the car. The subject design five phase permanent magnet synchronous generator of 42V power had solved this problem.Five permanent magnet synchronous generator, without the field winding power efficiency high, in addition the advantage of multiphase generator so its voltage waveform swings have less stable operation. This topic has three aspects of the design content. First, based on the rating data of the generator，designed the stator and stator size, stator winding, rotor structure and rotor size the choice of permanent magnet and the poles size calculation. Second, used the Ansoft maxwell electromagnetic field simulation software, the static magnetic field of generator is simulated. Established the generator geometric model, for each module definition model material attribute, set up incentive source and boundary conditions, set the solution parameters .After solving analysis, observed the generator field lines and magnetic flux density distribution cloud pictures, through the observation of magnetic field distribution verify the rationality of the design , and optimize the motor stator outside diameter size.At last, designed the generator voltage stabilizing controller. The main circuit of controller is five of the whole bridge which is not controlled rectifying circuit, and dc step-down chopped circuit, through the test voltage error signal, Single-chip microcomputer control the triggered pulse empty than of the step-down chopped circuit, that is, through control the NMOSFET tube conduction and shut off time to achieve voltage stabilizing requirements.Keywords: Five phase permanent magnet generator, Ansoft maxwell Voltage stabilizing controlIV目录目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪 论11.1课题意义11.2国内外发展现状及趋势11.2.1国内发展现状21.2.2国外发展现状21.2.3发展趋势31.3多相电机特点41.4课题主要任务4第二章 五相稀土永磁同步发电机设计62.1五相稀土永磁发电机电磁设计62.1.1额定数据计算62.1.2永磁材料选择72.1.3永磁体尺寸计算82.1.4转子结构和尺寸计算92.1.5定子和定子冲片计算112.1.6定子绕组设计152.2本章小结15第三章 五相稀土永磁同步发电机电磁仿真分析173.1Ansoft Maxwell173.2电磁仿真分析183.2.1构建发电机几何模型183.2.2材料的定义和分配183.2.3激励源和边界条件的设置。203.2.4求解选项参数设定223.2.5后处理分析233.3本章小结24第四章 五相稀土永磁发电机稳压控制器设计254.1稳压控制器控制方案选择254.2稳压控制器单元电路设计264.2.1五相全桥不可控整流电路274.2.2斩波降压电路274.2.3电压信号检测电路304.2.4A/D转换电路314.2.5单片机控制器最小系统314.2.6PWM驱动电路324.2.7辅助电源设计324.3单片机控制算法334.4本章小结34总 结35参考文献36致 谢37第一章 绪 论第一章 绪 论1.1课题意义随着汽车工业的发展，对车用电机的性能要求也越来越高，其中能源节约在汽车行业日渐受到世界各国的重视。不少国家制定了十分苛刻的汽车耗油标准并将其纳入法规范畴。例如美国在80年代就规定汽车的每百公里耗油标准为8.5L，到了90年代其标准降为7.2L，预计今后还要进一步降低1。要达到耗油标准，必须减轻汽车的重量和改进性能，对汽车关键零部件例如电机来说，其性能的提高与功能材料有着密切的关系1。采用高性能的稀土永磁电机，就可满足车用电机的尺寸、重量和性能之间的协调要求。目前每辆汽车平均使用永磁电机高达17只，从可预见的未来看，车用稀土永磁电机的趋势还将增加2。随着汽车性能的提高，车内的用电设备也是与日俱增。目前汽车使用的电源主要是14V的硅整流交流发电机，其发电效率较低，功率越来越不能满足现代汽车电气设备对电能的需求。42V的汽车电源系统可大幅度提高汽车的供电性能 3，基于稀土永磁同步发电机的电源系统完全可以满足汽车的用电需求，可以提高车用启动电机的效率。目前汽车内普遍使用的硅整流发电机是由电励磁绕组产生旋转磁场的，通过电励磁绕组的电能只能有一部分转换为用于发电的磁能，大部分电能则由于励磁绕组的自身发热而消耗掉了，因此发电效率较低3。而无刷的硅整流发电机磁场气隙较大，材料利用率低，电机本身漏磁通较大，成本较高。因此研制一种集稳压、整流于一体，电能消耗少、发电效率高、故障率低、适合于汽车使用的42V稀土永磁稳压发电机十分有必要。42V五相稀土永磁同步发电机，由稀土永磁材料产生磁场，没有励磁绕组因此效率较高。又加上我国稀土矿资源十分丰富，稀土矿的总储藏量占世界储量的85，被称为“稀土王国”4。并且稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列，充分发挥了我国稀土资源丰富的优势。因此大力研究和推广应用稀土永磁电机，实现节能降耗，提高经济效益更具有重要的现实意义。1.2国内外发展现状及趋势稀土永磁同步电机的开发与应用扩大了永磁同步电机在各个行业的应用。高性能稀土永磁电机是许多新技术、高技术产业的基础。各种性能优异的机电一体化产品如数控机床加工、中心柔性生产线、机器人、电动车、高性能家用电器、计算机等都有永磁电机的应用。1.2.1国内发展现状国内对于永磁发电机的研制相对起步较晚，但是我国稀土矿产丰富，对永磁电机的研制取得了长足发展，如今我国的稀土电机已遍布各个应用领域。对于车用永磁同步发电机的应用，由于电机的磁场是恒定不可调的在稳压技术方面受到限制，近些年随着电力电子技术的发展，使得发电机的电压在不调节磁场的情况下可调，这大力推进了永磁电机在汽车上的应用。目前国内正在研制多相车用永磁发电机。小功率永磁电机，90年代西北工业大学与闽东电机厂合作，开发生产0.8kW纺织用同步电动机，效率进步5%，节电率提升了10%；大功率永磁电机，沈阳工业大学与沈阳电机厂合作研制出目前国内容量最大的1120kW稀土永磁同步电动机，正在安排使用单位，进行运行试验；风力发电应用领域，国内湘潭电机厂已研制成功的2MW直驱永磁同步风力发电机，已应用于内蒙古卓姿风电场。使得永磁电机在风力发电领域得到了应用；风机水泵行业领域，水泵和通风机等机械负载的应用数量最大。这也是稀土永磁电机推广应用的主要场合。我国已在油井抽油机中推广使用稀土永磁同步电机，取得了明显的技术经济效益；电梯用永磁电机，国内电梯制造商的电梯大都采用了永磁同步电动机驱动无齿轮曳引机，其效率可高达90%以上；多相电机研制方面，对多相电机调速传动系统的研究起步较晚，国内的各大高校例如，浙江大学、哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学、中国科学院电工所、华中科技大学、南京航空航天大学等高校和研究机构均积极开展这方面的研究，但与国外相比，还存在一定差距5。1.2.2国外发展现状国外特别是美、日等国对永磁电机的研制起步较早，技术也比较成熟。美、日引领了永磁材料的发展，对永磁材料的不断研制使其符合永磁电机要求，才有了如今各式各样的稀土永磁电机。整体上国外发达国家在航空用永磁电机、电力推进系统、多相永磁电机研制方面具有优势。80年代，日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼永磁材料，其磁性能高于其他永磁材料，价格又低于钐钴永磁材料，国外研究、开发重点从军用永磁电机转向了产业和民用永磁电机；稀土异步电动机的应用，英国三相异步电动机的用电量占电动机总用电量的86%。美国和欧盟在37kW以下的电动机台数占总装机台数的95%；NdFeB永磁材料电机的应用，NdFeB制造的电机具有常态和动态特性良好、效率高和节能的多重优点6。美国已将14种汽车改用为NdFeB稀土电机，并要逐步实现汽车电机“NdFeB化”；奔驰公司宣称近年内要将三分之一的汽车电机改为NdFeB电机；丰田公司也声称要用汽车电机的NdFeB化来争夺汽车市场的30；美国在航天航空领域，已研制成驱动航天飞机升降副翼用的12.6kW，9000r/min稀土永磁无刷直流电动机，效率为95；国外在电力推进系统领域中普遍采用永磁电机作为系统的推进电机。德国西门子已制成了由64V变频电源供电的1095kW、230r/min的稀土永磁同步电动机；俄罗斯最近也试制成功3500kW的大型稀土永磁同步电机；多相永磁电机研制方面，以英国的利物浦约翰摩斯大学、美国的德州农机大学、和意大利的都灵理工学院等研究机构所发布的研究成果最为典型。许多电机与传动相关的国际会议开设了多相电机和驱动主题，IEEE工业电子汇刊也设立了关于多相电机和驱动的特刊7。1.2.3发展趋势随着稀土永磁电机技术的不断发展其行业逐渐呈现以下发展趋势： (1)机电一体化方向。高性能稀土永磁电机是实现机电一体化的基础。如数控机床用伺服永磁电机，计算机用VCM音圈电机等。(2)高性能方向。现代化装备制造业的发展向电机工业提出了各种各样的高性能要求，这也正促进了高性能电机的研制。如军用高性能信号电机、航空航天用高性能、高可靠性永磁电机，化纤设备用高调速精度变频调速同步电动机， 数控机床、加工中心、机器人用高调速比稀土永磁伺服电机及计算机用高精度摆动电机及主轴电机等等。(3)专用电机方向。专用电机是根据不同的负载特性而没计的。如油田使用的抽油专用稀土永磁电机，节能率提高了将近20。(4)轻型化方向。航空航天产品、电动车辆、数控机床、计算机、视听产品、医疗器械、便携式光机电一体化产品等电机都具有体积小、重量轻的特点。1.3多相电机特点与三相电机类似，根据运行原理的不同，多相电机主要可以分为多相感应电机和多相同步电机两大类。多相电机由于相数的增多具有很多的优势。起特点有以下几点：(1)效率高。效率高主要是因为定子铜耗比较小。在其他相同的情况下，多相电机的绕组系数随着相数的增大而增大，则产生同样转矩的基波电流减小，定子的铜耗也就降低了。(2)转矩较平稳。波动转矩是由气隙磁场谐波相互作用产生的。电机相数增大，可以消除低次磁动势谐波，使绕组磁动势中的谐波含量显著减小。使得由其引起的转矩波动频率增大幅值减小，转矩较平稳。(3)转矩密度高。当多相电机具有整距集中绕组即为非正弦多相电机时，在相同的电流有效值情况下，可以通过谐波电流注入来提高转矩输出。(4)容错能力强、可靠性高。多相电机由于相数多，当有一相或几相出现开路故障时，电机仍能正常起动并降功率运行，通过适当的控制策略可以维持高性能运行。(5)更多的设计自由度。1.4课题主要任务(1)设计五相稀土永磁同步发电机。由发电机的额定数据出发，设计计算发电机的基本数据。具体包括：永磁材料选择、永磁体尺寸计算、转子结构选择和尺寸计算、定子绕组设计、定子和定子冲片计算等。初步确定了设计发电机的基本数据。(2)运用Ansoft Maxwell对电机进行静磁场分析。建立发电机的几何模型，设置模型不同模块的材料属性，设置激励源和边界条件以及求解参数之后，用maxwell2D求解器进行求解。观察求解结构，通过求解得到的发电机的磁力线分布图和磁通密度分布云图，验证发电机设计的合理性，并适当优化电机结构和数据。(3)设计发电机稳压控制器。具体包括：主电路五相全桥不可控整流电路设计、NMOSFET直流降压斩波电路设计，电压检测电路设计，基于AT89S51的控制电路设计，触发脉冲驱动电路设计。另外还简单设计了控制算法和程序流程图。稳压控制器的原理是，单片机得到电压偏差信号后，适当改变斩波降压电路中NMOSFET管的触发脉冲占空比，达到稳压要求。- 16 -第二章 五相稀土永磁同步发电机设计第二章 五相稀土永磁同步发电机设计本课题为五相稀土永磁同步发电机，其用途是为汽车内电器提供电能。其采用五相结构设计使其有区别于三相发电机。该发电机具有发电效率高，稳压性能好等优势。永磁同步发电机设计时，根据要求的额定数据，主要解决以下主要问题：永磁材料选择、永磁体尺寸计算、转子结构尺寸计算、定子绕组和定子冲片计算。本课题的设计参数为：(1)额定电压42V；(2)额定功率500W；(3)额定转速4000r/min(发电机的最低转速为2000r/min)；(4)相数为五相。2.1五相稀土永磁发电机电磁设计2.1.1额定数据计算(1)额定公率：(2)相数m：m=5永磁发电机相数，五相定子绕组采用类星型连接，相邻两相之间相位互差72度电角度，线电压是相电压的1.1756倍。(3)额定相电压：发出的是每相84V五相交流电，经整流斩波之后将电压稳定为直流42V。(4)额定线电压： = (2-1)(5)额定相电流： (2-2)(6)效率：(7)功率因数cos：cos=0.9(8)额定转速：(9)额定频率： (2-3)(10)冷却方式：空气冷却(11)固有电压调整率：2.1.2永磁材料选择 (1)材料牌号：NTP-216(2)预计工作温度t：t=80(3)剩余磁通密度：，温度时的剩磁密度： (2-4)式中，的温度系数；IL的不可逆损失率，。(4)矫顽力：工作时的矫顽力： (2-5)(5)相对回复磁导率： (2-6)式中，真空磁导率，。(6)在最高工作温度时退磁曲线拐点位置。本课题选用的稀土永磁材料为钕铁硼永磁材料NTP-216，室温下剩余磁感应强度为1.47T，磁感应矫顽力可达992，最大磁能积高397.9kJ/。是目前磁性能最高的永磁材料。钕铁硼资源丰富，价格便宜。但钕和铁易氧化，需进行涂层处理（环氧树脂喷涂，电泳和电镀三种方式），可选用环氧树脂涂层抗溶剂，其抗冲击能力，抗盐雾腐蚀能力良好。2.1.3永磁体尺寸计算(1)极对数： (2-7)(2)永磁体段数:(3)永磁体体积： (2-8)式中，电压系数， (2-9)式中，由相对电压（取1.3）和功率因数cos的大小决定，即取决于发电机外特性的硬度，此处的值为0.3；C永磁电机磁能利用系数，一般0.60.85，0.60.7，C一般取0.4；气隙磁通波形系数，气隙磁通波形为正弦波，取1.11；永磁材料的最大磁能积取200kJ/m；将直轴电枢磁动势折算到转子磁动势的折算系数，取1.3；直轴电枢反应磁势折合系数 (2-10)预估漏磁系数取1.2。在实际选用时，需留出适当的余量，一般加大20%左右，最终取。(4)永磁体磁化方向长度：(5)永磁体宽度：(6)永磁体轴向长度：(7)永磁体每极截面积： (2-11)(8)永磁体质量： (2-12)式中，2.1.4转子结构和尺寸计算(1)转子结构方式：切向转子结构磁路中，永磁体的磁化方向与气隙磁通磁密的轴线方向垂直，并且永磁体远离气隙。此磁路的漏磁相对比较大，但是由于永磁体的并联结构，有两个永磁体截面对气隙提供每极磁通，提高了气隙磁密，在极数较多时更为突出。所以适合于极数较多且要求气隙磁密较高的永磁电机。永磁材料的抗拉强度很低，当转子尺寸较大或高速转动时，其表面的离心力已接近或超过了永磁材料的抗拉强度，会导致永磁体出现破坏，因此需用套环式转子机构。套环是一个高强度的金属材料制成的薄臂圆环，牢牢套在转子外圆上，将永磁体、软铁极靴固定在应有的位置，以确保高速运转时的可靠性。切向套环式如图2.1所示。图2.1 切向套环式转子磁路结构示意图a套环（磁性材料段）b套环（非磁性材料段）c永磁体d垫片e非磁性衬套f转轴(2)气隙长度： (2-13)不均匀气隙，；空气隙长度；非磁性材料套环厚度。气隙厚度的选择关系到电机的整体性能，但是如果气隙太小会受制造工艺的限制，因此可取气隙为1mm。(3)转子外径： (2-14)式中，= (0.61.6) 取0.3；可取78mm。(4)轴孔直径：=25mm(5)转子铁芯长度： (2-15)式中，隔磁板厚度。(6)村套厚度： (2-16)式中，垫片最大厚度取1.5mm。 (7)极距： (2-17)(8)极弧系数：(9)极间宽度： (2-18)2.1.5定子和定子冲片计算 (1)定子外径：(2)定子内径： (2-19)(3)定子铁心长度：(4)定子槽数： (2-20)(5)绕组节距y：(6)短距因数： (2-21)式中，(7)分布因数（整数槽绕组）： (2-22)(8)斜槽因数： (2-23)式中，；。(9)绕组因数： (2-24)(10)预估空载漏磁系数：(11)预估空载磁通： Wb (2-25)(12)绕组每相串联匝数： （匝） (2-26)式中， (13)每槽导体数： (2-27)式中，a=1为并联支路数；单层绕组取。(14)实际每相串联匝数N： (2-28)(15)估算绕组线规d： (2-29)式中，；为预估电流密度，；d可取0.64mm。(16)定子冲片设计采用平行齿梨形槽如图2.2所示。定子槽口宽：定子齿宽： (2-30)式中，；。定子轭部高度： (2-31)可取。定子槽小端宽度： (2-32)定子槽大端宽度： (2-33)定子槽槽楔高度： (2-34)定子槽梯形高度： (2-35)图2.2平行齿梨形槽（转子冲片槽型）(17)槽满率 槽面积： (2-36)槽绝缘占面积： (2-37)式中，槽绝缘厚度取0.25mm。槽有效面积： (2-38)槽满率： (2-39)槽满率指线圈放入槽内后占用槽内空间的比例，即指导线截面积占槽有效面积的比值，槽满率不易太高，高了不易下线。2.1.6定子绕组设计设计的稀土永磁发电机极对数，相当于1800电角度，相邻的槽之间的电角度。采用整距绕组，导体感应电动势向量图如图2.3所示。 图2.3五相稀土永磁同步发电机整距绕组槽电动势星形图2.2本章小结本章由课题给的稀土永磁同步发电机的额定数据出发，设计了稀土永磁同步电机的基本结构数据，包括：永磁材料的选择、永磁体用量和尺寸的计算、气隙尺寸的选择、转子尺寸的计算、定子绕组和定子冲片的计算等。其中选择了定子结构为切相套环式，绕组为单层为整距绕组，定子冲片为平行齿梨形槽。电机的初步设计计算已完成。第三章 五相稀土永磁同步发电机电磁仿真分析第三章 五相稀土永磁同步发电机电磁仿真分析3.1Ansoft Maxwell Ansoft Maxwell是功能强大，计算精确，用于二维、三维电磁场有限元分析软件。它可分析计算静电场、 静磁场、时变电场、涡流场、瞬态场、时变磁场和温度场。可以分析电机、变压器、永磁设备、传感器、激励器等电磁装置的稳态、瞬态、正常工况和故障时的运行特点。Ansoft Maxwell软件的计算方法是有限元发理论。有限元法是为了求解一些工程问题近似解的一种数值计算方法。这种方法就是将要求解的连续场分割为很多较小的区域，这些小区域称为单元或者元素。所有单元的集合体就代表原来的场，然后建立每个单元的公式，再组合起来，就能求解得到连续场的解答。其实施过程为：(1)连续场的离散化；(2)选择场变量模型；(3)确定单元特性；(4)集合单元特性得到方程组；(5)求解方程组。Ansoft进行有限元分析的基本步骤为：(1)选择求解器类型；(2)建模；(3)设置材料属性（磁导率、介电常数、电导率等）；(4)设置激励源和边界条件；(5)自适应网络剖分；(6)有限元计算；(7)后处理。3.2电磁仿真分析3.2.1构建发电机几何模型首先建立五相稀土永磁同步发电机的几何模型，本步骤包括：(1)确定模型的单位为毫米；(2)建立电机的定子槽几何模型；(3)建立电机的定子单层绕组几何模型；(4)建立电机的定子冲片几何模型；(5)建立永磁体的模型(6)建立转子轭模型；(7)建立转轴模型；(8)模型显示属性设置。图3.1电机的几何模型3.2.2材料的定义和分配材料的属性设置是通过材料管理器来实现的，在建立几何模型时所有部件的材料属性都默认为真空vacuum。对永磁同步电机的静磁场仿真需指定以下材料属性，气隙、绕组、定子铁芯、转子轭、永磁体。步骤为：(1)定义气隙的材料属性；(2)定义绕组的材料属性；(3)定义转子和转子轭的材料属性；(4)定义永磁磁极材料属性。气隙的材料属性设置为air，绕组的材料属性设置为copper。这些材料在材料管理器里都有。但是对于定子铁芯和转子轭的材料非线性铁磁材料和永磁体的材料需自己定义。定义非线性铁磁材料DW-1。在材料管理器里单击Add material。如图3.2所示。图3.2定义DW-1材料定义DW-1的BH曲线完成材料定义。如图3.3所示。图3.3定义DW-1的BH曲线定义永磁材料PM1。同理按照上述方法定义PM1,如图3.4所示。图3.4定义永磁材料PM13.2.3激励源和边界条件的设置。在磁场分析中，每个被分析的问题至少有一种激励源，在本课题的电机磁场分析中有电机定子绕组电流源和永磁体两种激励源。永磁体激励源在材料管理器中已经定义并分配给了磁极，但要确定永磁体的磁化方向。还需定义绕组的电流源。定义永磁体的磁化方向。对十个磁极需要建立十个新的相对坐标系以定义永磁体的磁化方向。如图3.5所示分别对十个磁极选择十个对应的相对坐标系。在PM1的材料属性中将YComponent的值设为一，表示磁极的磁化方向为沿Y轴方向。 图3.5定义永磁体的磁化方向给绕组进行分相之后定义绕组电流源。电机的绕组采用单层整距分布式绕组，将50槽分别编号分成五组，对应五相绕组。每相绕组按电流流向又分两个线圈边。电流方向定义如图3.7所示。 图3.6电机绕组分相 图3.7定义绕组电流源边界条件，电机求解域的外边界机转子轭与转轴的交界都应施加相应的边界条件，此问题中由于两处边界均为高导磁介质与非导磁介质的分界出，因此，施加磁通平行边界条件即可，这也是电机分析中最为常用的边界条件。边界条件可选择电机的转轴和定子外径之间的园域。建立的边界条件如图3.8所示。图3.8边界条件3.2.4求解选项参数设定除了计算电磁场外，还需确定电机转子的电磁力、力矩及电机绕组的电感等参数，这些参数的求解须事先设定。(1)电磁力和力矩设置；(2)电感矩阵设置；(3)网络剖分设置；(4)求解残差设置；(5)分析自检。 图3.9电感矩阵设置 图3.10剖分设置 图3.11力及力矩设置求解残差的参数可以选择默认设置，之后进行分析自检。3.12分析自检3.2.5后处理分析当自检完成后如图3.12所示，就可以启动求解过程了。求解完成后可以观察以下信息，统计信息、收敛信息、电磁力及力矩信息、电感及磁链信息、剖分信息及剖分图、磁场分布信息（磁力线分布、磁通密度云图）。图3.13分析运行中电机磁力线分布如图3.14所示。由图中电机磁场的磁力线分布可知电机的整体结构设计还是很合理的，漏磁比较少，符合发电机的设计要求。图3.14电机磁力线分布图电机的磁通密度云图如图3.15所示。由电机的磁通密度云图看，电机的整体设计还算合理。但是在定子外径附近的很大区域内磁通密度很低，这说明发电机的转子外径选择有些过大，因此可以适当减少定子外径来避免浪费多余的材料，还可以使发电机的设计更合理。图3.15电机的磁通密度云图3.3本章小结本章主要内容是使用ansoft软件对五相稀土永磁同步发电机的静磁场进行了分析。具体内容包括，建立了发电机的几何模型，对模型各模块进行材料属性定义，定义仿真的激励源和边界条件，设置求解项参数，观察发电机的磁力线分布图和磁通密度云图。由磁力线分布图得出发电机的结构设计合理，发电机的漏磁很少。由磁通密度云图得出发电机的定子尺寸过大，可适当减小定子尺寸，进一步优化发电机结构。- 24 -第四章 五相稀土永磁同步发电机稳压控制器设计第四章 五相稀土永磁发电机稳压控制器设计课题所设计的五相稀土永磁发电机发出的电能为五相交流电，需经过二极管整流降压为直流电，之后经过直流斩波将电压稳定在42V才可供车内其他电器使用。因此需设计稳压控制器来得到稳定的电能。稳压控制器包括：五相全桥不可控二极管整流电路、直流降压斩波电路、采样电路、单片机控制电路、驱动电路、辅助电源电路等。4.1稳压控制器控制方案选择针对发电机的稳压控制器我提出了两个可行性方案，进行比较分析。(1)整流相控稳压。主电路采用MOSFET全桥可控整流，用单片机控制晶闸管的触发脉冲即改变触发角来达到稳压的目的。图4.1整流相控稳压控制器结构框图工作原理：由发电机发出的交流电，经MOSFET全桥整流后变为直流电。为了达到稳压目的，对直流电压进行取样检测，取样电压经A/D转换之后送入单片机，经单片机运算之后，如果电压值大于基准值则增大脉冲触发角，使得在一个周期内MOSFET导通时间变短，则整流输出电压就会降低；如果取样检测的电压值比基准电压值小则减小脉冲触发角，使得MOSFET在一个周期内导通的时间变大，则整流输出电压就会变大。以此形成的负反馈控制闭环系统，可保证达到稳压目的。但是，对于法案一其有缺点，由于五相稀土永磁发电机则需要10支MOSFET管，对于脉冲触发电路的设计难度加大，如果单纯用软件实现需用到DSP则使设计变复杂。(2)整流斩波稳压。主电路采用全桥不可控整流，之后经过MOSFET直流斩波电路。通过控制MOSFET的导通和关断时间即改变触发脉冲的占空比来达到稳压的目的。图4.2整流斩波稳压控制器结构框图工作原理：发电机的五相交流电经全桥二极管整流之后，再经过MOSFET降压斩波电路得到42V直流电。当电压检测电路检测的电压值比基准电压值大时则减小触发脉冲的占空比，使MOSFET在一个周期内的导通时间变短，则斩波电路输出的电压就会降低；当电压检测电路检测的电压值比基准电压值小时，则增大触发脉冲的占空比，使MOSFET在一个周期内的导通时间增大，则斩波电路输出的电压值就会增加。以此形成的闭环负反馈系统，可保证输出电压稳定。对比以上两种稳压控制器方案，由于放案二用的MOSFET管只有一个，管子的触发脉冲设计比较很简单，整体上电路实现比较简单，因此本课题选择方案二。4.2稳压控制器单元电路设计整体设计由控制电路和主电路组成，控制电路通过AT89S51单片机采集取样电压，与基准电压比较后改变触发脉冲（触发脉冲由单片机软件编程产生）的占空比来控制MOSFET的导通和关断时间进而来稳定电压。其结构框图如图4.2所示.4.2.1五相全桥不可控整流电路五相稀土永磁同步发电机的每相电枢绕组的相电势为 (4-1)其电压幅值为： (4-2)五相全桥不可控整流波形电压幅值为： (4-3)式中，U脉动幅度电压；正弦半波幅值电压。电压平均值从积分得： (4-4)式中，输出电压平均值；线电压有效值。每管承受的最高反向电压为 (4-5)流过每个整流二极管管的平均电流为。其中为电路的输出电流。二极管的选择：二极管的整流电流为最大输出电流的3倍左右，承受的最高反向电压为最大峰值电压的2倍左右。经查表设计中的二极管选用P600G，其基本参数为，。整流电路图如图4.3所示。4.2.2斩波降压电路采用电压全控型器件MOSFET，当管的门控电压达到开启电压时，MOSFET完全导通；当门控电压低于开启电压时，MOSFET不导通，器件关闭。MOSFET具有自关断、驱动功率小、开关速度快、无二次击穿问题等特点，适用于中低压场合。加之，MOSFET的输入阻抗高，驱动电路也比较简单，本斩波电路选用NMOSFET管。滤波电路采用型的LC滤波，当电流变化较大时，滤波效果较好。降压斩波电路如图4.4所示。图4.3五相桥式不可控二极管整流电路图4.4 降压斩波电路选择MOSFET管时要考虑管子类型，这里选择N沟道的MOSFET，另外管子的耐压值和电流值必须留有一定的余量，防止管子被击穿或者烧坏。设计中选用NMOSFET管为2SK4126管，耐压值为650V，容许流过的电流值为15A满足要求。(1)电感、电容取值当NMOSFET导通时，电感有电流流过，此时上的电压为，因电感和电容无有功损耗，电感上的电流将从线性增加到。则电感上的电压满足 (4-6)式中，NMOSFET管导通时间；电感上的电流在期间内的变化量，U输出直流电压。当电感电流连续时，开关周期T (4-7)电感上的电流变化量为 (4-8)在一个周期内，电容、电感和负载电流的瞬时值满足关系式。电容上的电流在一个周期内，电流瞬时值大小相同方向相反，因此电容电流的平均值为零。电感和负载电流平均值满足 (4-9)整理(4-8)和(4-9)可得： (4-10)当电感电流处于连续与不连续的临界状态时，则此时根据(4-10)式可以求出临界状态的电感值 (4-11)如图4-5所示的电容电流波形可知，在一个周期内的电流平均值为零，在半个周期内，电容充电与放电的电荷量为 (4-12)所以当电流处于连续状态时，输出电压的纹波为 (4-13) (4-14)式中，降压斩波电路的开关频率；电路的截止频率。由公式(4-14)可知，通过合适的选择L、C值，在满足的条件下，可以限制纹波电压的大小。通过上述分析，可取开关周期T为，代入(4-11)中得到电感的临界值。代入(4-14)中，求得电容的最小值。图4.5电容的电流和点和量波形图4.2.3电压信号检测电路电压采样电路采用简单的电阻串联分压电路，之后经过电压跟随器与单片机连接，加电压跟随器可以起到隔离与增大输入电阻的作用。采样信号在05V之间，采样信号经A/D转换后送入单片机。电压信号检测电路如图4.6所示。图4.6电压采样电路取样电压： (4-15)则采样信号在1.05V左右。可选为基准电压。4.2.4A/D转换电路系统选用的核心控制芯片为AT89S51，需要将采样反馈值经A/D转换后，才可以送入单片机进行计算。本设计采用ADC0809转换芯片，电路图如图4.7所示。采用模拟通道零输入，通过中断方式进行转换。4.2.5单片机控制器最小系统单片机要对电压信号进行测量和计算，并产生PWM脉冲信号来控制NMOSFET的开通与关断。通过电压检测信号与基准电压比较之后，相应改变脉冲的占空比，从而控制输出电压稳定。选用ATMEL公司生产的AT89系列芯片，AT89S51芯片兼容标准的MCS-51指令系统，是一款高性能、低电压的8位单片机。跟51系列相比，它的程序存储空间增大，内部FLASH变大，中断源增多，可应用在较复杂系统的控制中。复位电路采用上电按钮复位电路，采用封装好的晶体谐振器，为了降低噪音和提高系统整体性能，选取12MHz晶振。图4.7单片机A/D转换电路4.2.6PWM驱动电路开关管NMOSFET的驱动功率比较小，一般可采用三极管驱动。在连接驱动芯片前加上光电隔离，防止强电侧的电压回流，保护单片机。驱动电路如图4.8所示。图4.8 驱动电路图4.2.7辅助电源设计汽车内一般由蓄电池供电，蓄电池电压一般为24V，设计中的芯片电压有、，需通过DC/DC变换器将电压变换为设计中需要的电压。主要供D/A转换芯片和AT89S51主芯片使用；作为运放的电源及驱动芯片IR2101使用。本设计中电源使用芯片W7805。电源采用三端固定式集成稳压器W7815和W7915。(1)电源设计。采用W7815和W7915两种芯片，得到所需的电压，如图4.9所示。图4.9 15V电源(2)+5V电源设计。采用W7805芯片得到+5V电源。利用(1)中产生的+15V电源做W7805的输入端电源。电路图如图4.10所示。图4.10 +5V电源4.3单片机控制算法取样电压： (4-16)当时则，则取基准电压为。取样电压经A/D转换之后送入单片机，之后计算得。(1)如果则表示此时，则取占空比。(2)如果表示此时，电压比要求值高，此时应减小占空比。首先计算（此时）则（比原来的占空比减小了）则经过一段时间之后就会上升至42V。(3)如果表示此时，电压比要求值低，此时应增大占空比。首先计算（此时）则（比原来的占空比增大了）则经过一段时间之后就会下降至42V。4.4本章小结本章提出了两种稳压控制器的设计方案，通过对比选择了全桥半控整流后直流斩波的主电路，通过控制直流斩波电路的触发脉冲占空比来达到稳压的目的。之后分别设计了各个模块的电路，包括：五相全控桥不可控整流电路，直流斩波降压电路，电压检测电路，A/D转换电路，单片机控制电路，NMOSFET驱动电路等。接下来有计算了单片机的控制算法。- 37 -总 结总 结汽车工业的发展带动了稀土永磁电机的应用，越来越多的汽车电机选择了稀土永磁电机。本课题设计的为五相稀土永磁同步发电机，是汽车内的供电发电机。其具有发电效率高，电压稳定等特点，适应了汽车宽转矩，高转速的负载环境。是一款高效高性能的发电机，加之其为五相电机具有多相电机的优势，使发出的电压更稳定，运行更可靠。本课题主要工作有以下几个方面：(1)五相稀土永磁同步发电机的电磁设计。本章内容主要计算了电机的参数，包括永磁体的选择计算、永磁体的尺寸计算、定子结构的选择、定子参数计算、转子绕组的选择和计算、转子尺寸的计算、转子槽型的选择和计算。详细计算了电机设计的各项参数，初步得到了电机的模型。(2)电机的电磁仿真。对设计的五相稀土永磁同步发电机的二维磁场进行了仿真分析。建立了发电机的二维磁场仿真模型，分析了电机的静态磁场。通过分析静态磁场，得到了电机磁力线分布图和磁通密度分布云图。通过磁力线分布图验证了电机结构设计的合理性，通过磁通密度云图进一步优化了发电机的定子外径。(3)电机稳压控制器设计。提出了控制器设计的两种对比方案，并选择了不可控整流、斩波的主电路。控制器包括五相全桥不可控整流电路、直流降压斩波电路、电压检测电路、主控制电路、A/D转换接口电路、脉冲触发驱动电路。通过闭环负反馈系统的电压检测偏差信号来改变斩波电路的脉冲占空比，进而达到了稳压目的。由于自己的时间和精力有限所以论文中的有些地方还需进一步的研究和改进。具体表现在：(1)电机的参数优化部