（车辆工程专业论文）汽车用飞轮离心式永磁起动发电机及控制技术研究.pdf

l i f 东理t 人学硕f j 学位论文摘要 摘要 通过研究汽车起动机与发电机的集成方案，比较各类电机的优缺点，对起动发电机 的结构、工作原理、电磁特性等进行分析，以现有的车辆用1 4 v 电源系统为基础，设计 出了不改变飞轮与发动机机体的安装尺寸、体积小、效率高的电机与飞轮整合的普通汽 车用永磁起动发电系统。 对永磁起动发电机的结构参数、电磁参数进行了计算，设计出了磁钢不易脱落且散 热良好的飞轮离心式永磁转子以及采用分数槽结构、起动机绕组与发电机绕组为同一绕 组的定子。 利用a n s y s 软件建立了起动发电机的磁路模型，利用有限元法对起动发电机的电磁 特性进行分析，在此基础上对起动发电机的气隙、磁钢长度、定子槽形状和槽口宽度等 结构参数进行了优化，获得了最优设计方案。 通过研究起动发电机的起动原理及特点，对控制芯片m c 3 3 0 3 5 和m o s f e t 功率元件 及其外围电路进行了分析，设计了工作时间短、起动转矩高、导通电流大、不需要调速 的永磁无刷直流起动控制电路。利用s i m u l i n k 软件对霍尔传感器信号、电压和相电流 等进行了仿真，结果表明该控制电路具有良好的起动控制特性。对发电机整流稳压原理 和控制方式进行研究，设计了由三相半控桥式整流电路、基准电路、电压信号比较电路 和触发电路组成的三相半控桥式可控整流稳压器，该整流稳压器能够保证发动机在宽转 速、宽负载范围内输出电压稳定的直流电。 关键词：汽车，永磁，起动发电机，磁场有限元，控制电路 山东理t 大学硕f j 学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t s t u d yo nt h ei n t e g r a t i o na p p r o a c ho ft h es t a r t e r a n dg e n e r a t o ro ft h ev e h i c l e s ，t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ev a r i o u st y p e so fm o t o r sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d b a s e do nal a r g en u m b e ro fd o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r e s t h es t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l e ， e l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h ei s g ( i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ) w e r er e s e a r c h e d ak i n do f s m a l ls i z e ，h i g he f f i c i e n c y , l e s sc h a n g e st ot h ee n g i n e ，f l y w h e e la n dm o t o ri n t e g r a t e dp e r m a n e n t m a g n e ti s gs y s t e mf o rg e n e r a lv e h i c l ew h i c h b a s e do nt h ee x i s t i n g14 vv e h i c l ep o w e rs u p p l y s y s t e mw a sd e s i g n e d t h ee l e c t r o m a g n e t i cs t r u c t u r ep a r a m e t e r so f t h ep e r m a n e n tm a g n e ti s gw e r ec a l c u l a t e d t h en e wt y p eo fc e n t r i f u g a lf l y w h e e l - t y p ep e r m a n e n tm a g n e tr o t o rw a sd e s i g n e d ，w h i c hh a s h i g hm a g n e t i cf i e l du t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y t h em a g n e t i cc i r c u i tm o d e lo ft h ei s gw a sb u i l tb yt o o kt h ea d v a n t a g e so ft h es o f t w a r e a n s y s t h ee l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h ei s gw e r ea n a l y z e du s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d b a s e do nt h eh i g hp r e c i s i o nr e s u l t so ft h ea n a l y s i st h ea i r - g a p ，m a g n e tl e n g t h ，s h a p eo f t h es t a t o rs l o ta n ds l o tw i d t hw e r eo p t i m i z e d t h es t a r tp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei s gw a sa n a l y z e d t h ec o n t r o lc h i p m c 3 3 0 3 5a n dm o s f e tp o w e rc o m p o n e n t sa n dt h e i rp e r i p h e r a lc i r c u i tw e r er e s e a r c h e d a k i n do fs h o r tw o r k i n gt i m e ，h i g hs t a r t i n gt o r q u ea n dc o n d u c t i o nc u r r e n t ，n os p e e dc o n t r o l f u n c t i o np e r m a n e n tm a g n e tb m s h l e s sd cs t a r tc o n t r o lc i r c u i tw a sd e s i g n e d u s i n gt h es o f t w a r e s i m u l i n k , t h es e n s o rs i g n a l s ，v o l t a g ea n dp h a s ec u r r e n tw e r es i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ec o n t r o lc i r c u i th a sag o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c eo ns t a r t - u p t h ev o l t a g er e g u l a t i o n p r i n c i p l ea n dc o n t r o la p p r o a c ho ft h eg e n e r a t o rw e r er e s e a r c h e d r e g u l a t o rc i r c u i tc o n s i s t so f b e n c h m a r kc i r c u i t ，c o m p a r ec i r c u i t , a n dt r i g g e rc i r c u i tf o rt h r e e p h a s eh a l f - c o n t r o l l e db r i d g e r e c t i f i e rr e g u l a t o rc o n t r o lc i r c u i tw a sd e s i g n e d t h ec i r c u i tw a sd e s i g n e dt om e e tt h e r e q u i r e m e n to fo u t p u ts t a b l ed c w h e nt h ee n g i n es p e e da n dt h el o a dw e r ew i d e k e yw o r d s ：v e h i c l e ，p e r m a n e n tm a g n e t ，i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r , m a g n e t i cf i e l d f i n i t ee l e m e n tm e t h o d , c o n t r o lc i r c u i t u 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，也不包含为狭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。 研究牛签名：时间： 如夕7 年占月夕日 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) 研究：触争帆阳节年月；日 跏弛嬲匕 学位论文出版授权书 本人完全同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称 “章程 ) ，愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社” 在中国优秀博硕士学位论文全文数据库中全文发表。中国优秀博硕士学位 论文全文数据库可以以电子、网络及其它数字媒体形式公开出版，并同意编入 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益。 作者签名： 2 盟年j 扛月j l e t 导师签名： 山东珲t 大学硕f j 学位论文第一章绪论 1 1 研究目的及意义 第一章绪论弟一早珀t 匕 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。 目前，我国汽车工业发展迅速：据统计，2 0 0 8 年汽车产销量分别达到9 3 4 5 1 万辆和9 3 8 0 5 万辆，同比分别增长5 2 1 和6 7 0 ，乘用车产销量6 7 3 7 7 万辆和6 7 5 5 6 万辆，同比增 长5 5 9 币1 17 2 7 ，乘用车所占比重依然呈现稳定增长趋势，分别占汽车产销总量的 7 2 1 0 和7 2 0 2 t l 】【2 】。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，是我们要应对的首要任务。 在传统的汽车电气系统中，发电机和起动机是体积和重量最大的两个独立电气装置， 所起到的作用是十分重要的。但是它们普遍存在效率低、故障率高等缺点。 目前国内汽车用起动机主要是串励式电磁起动机，该机利用励磁线圈提供磁场，结 构复杂；励磁线阁与电枢线圈串联，励磁线圈消耗一定电能，效率低；容易凶发热温度 过高而烧毁形成短路或断路，可靠性低；励磁线圈需要从蓄电池中吸取滞后的励磁电流， 从而增加了无功功率，降低了功率凶数。 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 磁绕组的电能只有部分转换为用于发电机的磁能，大部分电能由于励磁绕组线圈发热而 消耗掉【3 】。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。带有碳刷滑环结构的硅整流发电机滑环直径大，线 速度高，碳刷容易磨损，寿命短，故障率高；无刷硅整流发电机发电机增加了磁场气隙， 漏磁大，材料利用率低，成本高。 由于起动机和发电机在工作时间上互不重叠，具有互补性，根据电机的可逆理论， 借助一个电力电子功率变换装置来控制电机的能量转换形式，将发电机和起动机电机复 合为一体式起动和发电复用装置成为可能。这种装置可减少一台电机、减轻发动机重量、 节省宝贵空间并降低成本。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究概述 早在2 0 世纪3 0 年代，德国人就尝试将起动电机和发电机结合，但受当时的技术条 件限制而无法实现，因为以当时的技术水平很难协调低速起动发动机与高速发电两者的 山东理t 人学硕i j 学位论文 第一审绪论 矛盾。上世纪6 0 年代，宝马公司的工程师开始寻求将这一系统安装在小型发动机上。直 至9 0 年代末，关键技术在宝马公司研究小组和德国科隆s y s t e m 公司共同研制下有所突 破，其主要特点是运用了现代电子技术成功解决了两种电机结合在一起所带来的矛盾， 并直接安装在轿车发动机上，但是技术性能参数一直不理想。 1 9 9 7 年德国的v o nc o n t i n e n t a le n e r g i e e n g i n e e r i n g ( 大陆能源工程) 汽车系统公司研 制出了起动发电复用装置，并命名为起动发电阻尼系统( i n t e g r a t e ds t a r t e ra l t e r n a t o r d a m p e r ，i s a d ) ，i s a d 系统的主体是经过特殊设计的电子控制异步电机，它取代了发动 机匕轮、皮带轮及皮带和部分汽车驱动系的阻尼器等，通过电磁传递转矩。i s a d 系统能 以低噪音、非接触、无磨损方式起动发动机【4 】。 直到2 0 0 4 年，美国通用汽车公司将大陆公司的i s a d 系统安装到了两辆样车上，其 中的一台起动发电机配备了两个2 2 0 v 11 0 v 电源插座以进行外部充电，输出功率高达4 千瓦。样车不再需要起动机和发电机，因此，降低了驱动装置的重量、节省了空间、减 少约1 0 的燃料消耗。 西门子汽车系统公司研制了集成起动发电装置( i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ，i s g ) ，西 门子i s g 的发电机峰值输出功率可达8 k w ，是传统汽车交流发电机的五倍，而其效率在 整个发动机转速范围内都高于8 0 。西门子i s g 可实现即开一即停、瞬时起动和辅助动 力等功能，这些功能可在没有性能损失的情况下提高汽车的燃油经济性并减少污染物的 排放。 以上两种起动发电装置的特征是：电压高，转矩大，主要利用电机的助力功能，发 电功能只是辅助的能量回收利用，蓄电池需要靠外部充电。 b o s c h 公司也开发了新型的起动发电机，声称其效率达到9 0 。b o s c h 公司也将起 动、辅助加速发动机以及再生制动合而为一。通过减小发动机尺、j + 和使用一个集成自动 变速箱，可节约3 0 的燃料损耗，并增加了自动起、停和增压功能。其结构l 。分复杂， 起动转矩不大而且采用的足双离合器结构方案，操作较为复杂。 面对市场竞争，德国宝马汽车公司也推出了自己的曲轴起动发电) 6 j l ( c r a n k s h a f t s t a r t e r a l t e r n a t o r , c s a ) 。与此同时，一些美国汽车公司和学术机构也开始一体化起动发 电机的研究工作。美国伟世通公司( v i s t e o nc o r p o r a t i o n ) 也推出了其i s a 的样机，最大输 出功率可达1 2 k w 。以上两种起动发电机也是以辅助动力作为它们的主要功能。 在混合动力汽车方面，i s g 型混合动力汽车具有发动机自动起停、电动助力和再生 制动等功能，在保证车辆动力性的基础上能有效地减少燃油消耗和排放，并具有较低的 制造成本，特别适合于中小排量的中低档汽车或主流车型的改造，是一种应用开发潜力 较大的混合动力汽车，许多汽车企业已经将其列为混合动力开发的重要车型，如本田的 i n s i g h 币1 1 c i v i c 、日产t i n o 、丰田的c r o w n 、铃小的w a g o n 年l l 福特的l s r 等都使用了起动发 电集成系统【5 】【6 】。 丰田公司开发的应用于混合动力系统的起动发电系统由发电机与电动机两台电机及 2 m 末型t 学 n 论2 挪一邗埔论 动力分离装首组成。如图1 1 所示：该系统的运 r 原理为：发动机与行星齿轮的行星架 日连，传递过来的动山经过行艟轮系，一部分通过巾心轮传给发电机，一部分通过外齿 圈传给l u 动机以驱动车轮。采川复杂的控制策略通过动力分离装置分配动力，实现丁发 电与驱动功能兼得。丰田汽车公司还# 门开篾丁卣流变压器，以便实现5 0 0 v 和1 4 v 的 转换。该装置结构 一分复杂，功能较多，控制方法复杂只不易实现。 图1 一l 丰田汽车混合动力系统起动发电装置 到几前为i l ：同际i 已经形成了刈起动发电集成系统的共同认讨l ：通过智能管理使起 动机和发电机_ r 作在一个系统。p ，具有很多优点。并i ：1 会j 曾j j , 更多的功能： ( 1 ) 更高的效率( 火j 8 0 ) ； ( 2 ) 更高的发电机功率( 例如大于8 千瓦) 吐 ( 3 ) 支持多电压在线系统( 4 2 v 2 8 w 1 4 v ) 1 8 】： ( d ) 减少噪商和废气排放、降低剌料和能源消耗： ( 5 ) l j 动减震、动山辅助、制动能旱：同馈p i ： ( 6 ) 降低发动机的振动； ( 7 ) 提供额外的电动扣矩( 例如支持起动助推) ： ( 8 ) 理想的混合动山实现方式叫。 2 2 国内研究概述 k 安汽车分剐、重庆大学等单位承j ：| _ 【r “i s g 型混合动j k 宜轿t - ：h _ 发”项h ”“。 在删! f i 阶段，采川了外挂式i s g 电机经j 支带传动实现i 醐l 与发动机的动力合成和分配， ，燕速器采用，c v t 和m t 两种方案，储能系统采川l 4 4 v 镍氯电池，研制成功了我国笫 辆混合动力样车，如罔卜2 。f h r 托采用外挂式电m l ，势必会增j j 发动机的体积，向 些竺! 丝! ；丝! !坚! ! 坠 h 应带传动的效率较低。 图卜2i s g 型混合动力长安轿车样车 江苏大学刑基丁开笑磁阻电机f 一起动发电系统进行了控制策略的研究，分析了开关 磁m i u 机的结构、性能和特性，并分析了丌关磁| ；电机的l u 动1 ，发电运行机理，结合混 合动力，i 午h j 起动发i b 系统的功能与特点，对控制策略进行了研姐”。但开关磁| ：儿电 机转如脉动大，结构复杂，成小也较高。 中科院电l ：研究所对，l 车4 2 v 气系统的起动发电机的佃件进行了研究”，对丰功 率模块、电机、主l b 容、啦收| l c l 路、c p u 等进行了选型设计，并构建了4 2 v 电气系统i s a 的控制器。1 1 1 - j 一该系统采川的是针划末米汽车电e 系统的4 2 v 电压，不适川于现干丁的汽 午l a 气系统，伯剥水课题有定借鉴意义。 同济人学在 海市教委曩点学科经费资助f ，刘起动发电装置的躁理年托甫崂法做 了基础 f 究。以桑塔纳2 0 0 0 ：的1 4 v 交流发电机为样机，利用a cd c 变流器，在起动 时把蓄电池的卣流屯转化为起动发电机所需丌 的三相交流电【i ”。由于该设| 十足利川电励 磁_ 二相交流发电机改造而成，面需要额外增加一奁辅助起动绕组提供励磁，起动完成 后再退j 运行。这样就罂对电机的结构进行重新设计，并会增加电机的体彤重最。 3 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 坷过分析国内外起动发电机的研究现状，比较所使川的电机类犁，总结出永磁无 刷起动发电机相对于其他娄，诅的电机具有更多的优点，特别适用于普通汽车用起动机发 电机。 ( 2 ) 设i 十适用十发动机飞轮的低转速、大转动惯量、能够最大限度地利川材料、冉效 防r 钕铁硼永磁材料脱落的转子结构。研究使转予极与定予齿之间关系同时满足起动机 和发电机要求的定了结构和分数槽电枢绕组理论。 山东理t 人学硕l j 学化论文 第一章绪论 ( 3 ) 研究电机的可逆原理，从永磁材料选用、磁路结构设计入手，研究起动发电机的 结构参数、性能参数对起动机和发电机输出特性的影响规律，获得最优匹配设计方案。 通过理论计算和试验分析确定永磁体体积及起动发电机的各项参数。 ( 4 ) 根据电磁学原理，利用a n s y s 软件对起动发电机磁路进行分析，设计出能够同 时满足起动机和发电机磁通要求的定子铁芯。 ( 5 ) 分析起动发电机的起动特性和稳压原理，设计出电子起动控制器和电子整流稳压 器，保证起动发电机能平稳迅速的起动发动机工作并在发动机宽转速、宽负载范围内输 出电压稳定的直流电。 山东理t 人学硕l j 学位论文 第二章起动发il g e j l 系统总体设计 第二章起动发电机系统总体设计 2 1 用于普通汽车的起动发电机 2 1 1 工作状态 用于普通汽车发动机的起动发电系统的基本思路是将发电机、起动机和飞轮整合， 其工作过程为：当起动发动机时，起动发电机作为电动机运行，发动机为负载，电机将 电能转换为机械能，带动发动机工作，当转速达到某一定值后发动机进入自行工作状态； 当起动结束后，发动机转为原动机，起动发电机也相应转为发电机运行，将机械能转换 为电能，通过稳压、整流给蓄电池充电或给车载用电设备提供直流电。 2 1 2 主电机类型选择 目前用作车用起动发电系统的电机主要有以下几种 1 6 】：有刷直流电机、感应电机、 电励磁同步电机、开关磁阻电机、双凸极电机和永磁无刷电机。 ( 1 ) 有刷直流电机 有刷直流电机当作起动发电机使用时，与一般的直流电动机和直流发电机略有不 同。起动时，以复励( 串励为主) 直流电动机方式工作，要求有足够的起动转矩和起动 电流；起动结束后，电机的串励绕组停用改为并励方式，作发电机运行。其优点是起动 性能良好、控制电路简单。但由于存在电刷和换向器，需要经常维护，使用寿命短，发 电功率和起动功率也受到很大限制。 ( 2 ) 感应电机 目前在欧美国家将感应电机作为电动机使用时，主要用在电动汽车上。该机的设计 制造已较为成熟，结构简单，体积较小，可靠性高且坚固耐用【 】。感应电机的数学模型 精确可靠，作为起动发电系统电机在建模时有较大优势，便于进行控制策略的深入研究。 但是感应电机的控制较为复杂，制造难度大，异步感应电机低速及低负载运行时的效率 低，高速时需要减速机构，且容易发热。 ( 3 ) 电励磁同步电机 电励磁交流同步电机作为发电机已经得到了广泛的应用，既可以用于变频恒速电 源，也可以用于直流供电。只要在现有基础上研究其起动方案，就可以将其改造成起动 发电系统。这种结构可以充分利用现有电源装置，对系统改造较小。但电励磁交流同步 电机静止时，无法得到励磁，因而要额外增加一套辅助起动绕组，起动时，先在辅助绕 6 山东理t 大学硕l j 学化论文第_ 审起动发t i t , i t 系统总体设计 组中通以电流，提供励磁，起动完成后再退出运行。这样就需要重新设计电机结构，并 会增加电机的体积和重量。 ( 4 ) 开关磁阻电机 基于开关磁阻电机的起动发电系统是目前研究的热点。目前应用在混合动力汽车上 的起动发电系统多是基于开关磁阻电机。开关磁阻电机作为2 0 世纪7 0 年代兴起的新型 电机，与其它各种调速电机相比有较大优势，其转子是简单的迭片结构，结构坚固且经 济，由于转子没有电励磁绕组或永磁体，转子结构对温度不敏感，电机的最高运行温度 取决于绝缘系统，因此可在高速下运行，而且高温环境的运行能力良好【l 引。其定子集中 绕组可以预先绕制好再嵌入定子槽，定子装配工艺简单，制造成本低，冷却方便。尤其 是在微型计算机控制下允许能量双向流动，既可以作电动机，义可以作发电机，在不改 变硬件拓扑结构的情况下可以自如地实现起动、发电、助力等状态的切换。 但开关磁阻电机转矩脉动大，电机存在严重的非线性，噪声和振动大，优化控制有 较大的难度，电动, j t 币u 发电机均需功率变换器工作，发电机的可靠性有所降低，电机出 线多，制造较为复杂，成本也较高。 ( 5 ) 双凸极电机 2 0 世纪9 0 年代，著名电机专家t a l i p o 教授发明了与开关磁阻电机相似的永磁双凸 极电机【l9 1 。国内外许多机构开展了双凸极永磁电机调速系统的研究，包括电机设计、磁 场计算、等效磁路模型、控制策略、p i 参数设计以及数字控制技术等，研究结果表明了 双凸极永磁电机用于调速技术的优越性【2 0 1 。近几年来，在永磁双凸极电机的基础上提出 的电励磁双凸极电机成为用于起动发电系统的研究重点。电励磁双凸极起动发电机具有 开关磁阻起动发电机的优点，且发电控制更为简单方便，无需位置传感器，直接控制励 磁电流即可控制输出电压，发电性能优良。电励磁双凸极起动发电机工作于起动模式时， 外接电源给电励磁电机的励磁绕组供电，控制器根据位置传感器检测到的位置信号，控 制双向全桥变换器开关管的通断，给对应的相绕组供电，使电机产生固定方向的转矩， 带动发动机旋转；当工作于发电模式时，发动机带动电励磁电机旋转，控制器封锁全桥 变换器的开关管，励磁绕组由励磁机供电，电机三相电枢绕组的磁通发生变化，产生三 相交变的感应电压，通过二极管整流后，输出直流电。若负载或转速变化时，可通过发 电机调压器来调节励磁电流的大小以维持电压恒定输出。但是目前双凸极起动发电机的 研究大多针对航空电源系统，经过改进也可用于汽车电气系统，但目前研究较少。 ( 6 ) 永磁无刷电机 永磁无刷电机作为汽车发电机已经得到了一定的应用，只要在现有基础上研究其起 动方案，就可以将其改造成起动发电系统，这种方案可以充分利用现有电源装置，对系 统改造较小。随着高性能电力电子器件和现代控制技术的发展，许多新型的高性能半导 体功率器件( 如g t r 、m o s f e t 、i g b t 等) 相继出现，以及高磁能的钕铁硼稀土永磁 材料的问世，为永磁无刷电机的广泛应用奠定了坚实的基础。永磁无刷电机具有传统直 7 山东理t 人学硕。 ：学化论文 第二审起动发f 乜机系统总体i 5 汁 流电机类似的转矩控制特性，易于控制。 稀土永磁电机具有以下特点：稀土永磁材料具有很高的磁能积，可以明显降低电机 的重量，减小电机的体积；电机比功率大，能量密度大；永磁电机作为发电机时发电效 率高，电能消耗少，低速供电性能好，输出电压调整率小，环境适应性强，噪音低，使 用寿命长；我国稀土资源丰富，稀土永磁材料价格远低于国际市场，永磁电机具有很强 的市场竞争力刚 2 2 】。 基于以上优点，永磁无刷电机特别适合作为普通汽车用起动发电一体化装置【z 引。 2 2 永磁无刷起动发电机系统构成 起动发电系统构成示意图如图2 1 所示。 起动运行 发电运行 图2 1 起动发电系统构成示意图 首先，由于本设计的起动发电机与普通汽车配套，要求尽量减小对发动机和传动系 统的改动，所以各项外部参数都围绕车用发动机的参数来确定；其次，考虑到发动机在 安装到汽车上时会受到空间的限制，所以起动发电机的体积不能过大，应使用磁能积较 高的钕铁硼永磁材料，便于安装和维护；第三，系统需要有足够的功率来起动发动机工 作，并在发动机正常工作后输出足够的电能，这就要求起动发电机在起动时有足够的力 矩，发电时磁钢与绕组间有足够的相对速度。同时考虑到便于现有发动机的改造，最终 确定将起动发电机整合到发动机的飞轮上。 飞轮外转子和发动机的曲轴直接相连，它既是发动机的飞轮，又是起动发电机的外 转子，扁平紧凑的结构设计，使得它可以直接安装在发动) 6 j t s n 变速箱之间。这样不但省 去了皮带传动系统和张紧滑轮，消除了皮带损耗，而且电磁力直接起动避免了机械磨损 l h 东耻i _ 学删i 于恤论殳 辩十起自发d z , c 茉统甚”髓h 和冲击，节约发动机舱的空间降低了整个系统f 由重量。 如果把电机绕组设讨d 飞轮转子卜，那么线圈会随着飞轮旋转，这样就必须增期臌 删、滑，十等机械 受i h j 犍首，不但会j 曾_ f j l 】起动发电机的体秘，而日迁会降低起动发电机的 使用寿命，增加维护成夺，町考虑到电了换向装置的成本较高，无驯化是最好的选择， 所咀本设计将磁钢安装在飞轮内侧，构成b 轮转予。将绕组作为定子固定任发动机机体 上。起动发 乜机装配崮盘u 罔2 - 2 所小。 123 9 1 0 8 肚础机机作2 幽定蝶栓3 定千套筒4 键5 紧幽螺雌6 挚 7 曲轴8 绝缘挚h 9e 轮转f 1 0 磁钢i 1 定子 图2 - 2 起动发电机装配图 23 起动发电机功率的确定 23 l 起动功率的确定 起动发电机必颁具需足够的功半，才能迅迎可靠的起动发动帆。如粜起动时功率小 足，会导毁重复起动发动机的次数增多，起动叫间增k ，控制电路和导线巾重复山，她较 大的起动电流，不仅埘控制器件和莆电池使川寿命不利，而h 会增_ | 燃利消耗。 按照找同汽。电器系统| 亡d d | 殳计的基小删论，起动发动机所需筮的功率p 足依据发 动机蚋最低起动转速i 1 。和发动机起动阻力矩肘，定，弗u 臌下式训箅口4 i ： 尸：m 脚：堡罢坚m 。：1 0 2 6 9 5 m 一。w ) ( 2 - 1 ) 勃 ，ll、 4 5 6 7 山东理t 大学硕 学位论文 第审起动发f l ! 机系统总体没汁 式中：m ，发动机的起动阻力矩州m ) ； 国发动机曲轴旋转的角速度( r a d s ) ； n m i n 发动机的最低起动转速( r m i n ) 。 发动机的阻力矩包括摩擦力矩、压缩阻力矩以及驱动发动机各种辅助装置的驱动阻 力矩。各种阻力矩又取决于发动机的形式、气缸的工作容积、缸数、压缩比、温度和转 速。 各类型发动机的阻力矩- 般都有实验测定，也可用下述公式计掣2 4 】： 十6 加。厝卜 陆2 ， 式中圪发动机气缸的二i ：作容积( m 3 ) ； 占发动机的压缩比； 万，曲轴旋转的不均匀系数； 后。系数，汽油机取值为七。= 3 8 ，柴油机取值为k 州= 2 8 ； n 。稳定旋转状态下的曲轴平均速度( r m i n ) ； 1 产一开始起动时发动机润滑油的运动粘度( c s t ) 由式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可得到起动发动机所需的起动机功率计算公式为： 咖圪卜瓜岷悟爿 ， 式中，7 起动机电枢轴至发动机的传动效率。 本设计起动发电机与发动机曲轴为同轴结构，可取值为r = l 。 以依维柯汽车的81 4 0 2 7 s 系列直列四缸四冲程压燃式增压柴油机为例进行参数设 计：该发动机气缸工作容积圪为2 4 9 9 l ，压缩比占为1 8 5 ，最低空载转速取7 7 5r m i n ， 曲轴旋转的不均匀系数选为0 6 5 ，该发动机采用c f - 41 5 w 4 0 ( 1 5 0 f ) 润滑油，根据润滑油 牌号分类其运动粘度在温度为4 0 。c 时为1 5 c s t ，考虑低温起动，取一1 0 。( 2 时的运动粘度约 为v = 2 0 0 c s t 。 将发动机参数代入公式进行计算得出起动机功率p = 1 9 9 3 8 6 3 4 w 。起动发电装置是直 接起动发动机，无需齿轮传动，考虑到更低温度的恶劣情况，将起动发电机的起动功率 确定为2 2 k w 。 由于本计算公式是由发动机的起动转矩公式推算得山的，囚此计算结果能够满足起 动转矩的要求。 1 0 山东理t 火学硕l ：学位论文第二章起动发电机系统总体设计 2 3 2 发电功率的确定 在进行发电机设计时，需要确定发电机的额定工作转速。特别是对于永磁无刷车用 发电机而言，额定工作转速的确定至关重要，因为车用发电机的转速通常在汽车的行驶 过程中变化不定，因此额定转速的确定，必须从发电机在整个转速范围内的利用程度和 效率以及最经常工作的转速区间来综合考虑。从发电机的利用程度和车辆用电设备的需 求来讲，发电机的额定转速选得越低越好，因为发电机的额定转速越低，汽车在中、低 速，特别是低速行驶甚至怠速时，发电机便能工作在零电流转速以上，输出较大的功率， 可以给蓄电池和车辆用电设备供电，提高发电机的利用效率。当然，众所周知，相同容 量的发电机，其体积和重量随着转速的降低近似成反比例增加。因此，对车用永磁发电 机额定工作转速的选取，需要分析发电机的常在的工作转速区间，既要充分考虑发电机 的利用效率，又要考虑到发电机高速运行性能。 由丁- 起动发电机直接安装在曲轴的末端，与传统的车用发电机不同，发电机的转速 与发动机的转速相同，这就要求起动发电机作为发电机运行时要有良好的低速性能。 综合以上分析，本课题中起动发电机作为发电机运行时的额定转速取为1 8 0 0 r m i n ， 发电机的零电流转速和最高转速参考该类车用发电机转速再乘以皮带传动比来确定，分 别选为7 0 0 r m i n 矛i4 0 0 0 r m i n 。参考依维柯汽车发电机为6 3 0 w ，起动发电机的起动功率 已有2 2 k w 的情况下，发电机的功率没有必要设计的太大，否则不仅大功率不能充分利 用，而且起动发电机质量和体积都会增大，并会增加成本。车载电器用电要求起动发电 装置输出的额定电压稳定在1 4 v 左右，根据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 标准【2 列，当发电机转速在1 5 0 0 厂m i n - - 4 8 0 0 厂m i n 范围内时，输出电 压应稳定在8 v 1 4 5 v 之间。最终本设计将输出功率定为7 5 0 w ，通过整流稳压电路对 输出电压进行稳定，使其在工作转速范围内达到相关标准的要求。 2 3 三相绕组的基波合成磁动势一旋转磁势 对称的三相绕组在空间上彼此相差1 2 0 。，三相磁势互差1 2 0 。绕组中通入对称三 相电流，其在时间上彼此相差1 2 0 。电角度。把空间坐标的原点取在a 相绕组的轴线上， 把a 相电流达到最大值的时刻作为时间坐标的起点2 6 1 ，则： 三相电流为 i 一= x - 2 i c o s c o t 扣西c o s 卜； 仁扫c o s ( 鲥一； l lj 东理t 大学硕+ f ：学位论文第一二章起功发i 乜机系统总休设汁 ( 2 - 4 ) 六l = 兄lc o s o c o s c o t 三相绕组脉动磁势 厶，= f # ic o s ( 秒一 。= f ，, ic o s ( 口一 2 c o t 一一万 3 4 c o t 一一万 3 ( 2 5 ) 三相合成磁动势：z ( f ，秒) = 厶i + 厶l - i - 厶i = ec o s ( c o t 一0 ) ( 2 - 6 ) 三相合成磁动势基波幅值：要。：3 , 厄n k ，i ：堕胍。i ( 2 - 7 ) z x pp 三相合成磁动势基波的性质： ( 1 ) 三相合成磁动势基波是一个波幅恒定不变的旋转波。 ( 2 ) 电流变化一个周期，1 1 1 j 3 6 0 。电角度时，旋转磁势在空间上转过同样数值的电角 度。 ( 3 ) 旋转磁动势的转速为同步转速。 ( 4 ) 旋转磁动势由超前相电流所在的相绕组轴线转向滞后相电流所在的相绕组轴线。 ( 5 ) 改变电流相序，则旋转磁势改变方向。 依据三相磁动势的性质，旋转的基本条件：满足通电后，产生的磁场应形成与转子 磁场相对应的极对数，最优设计需要保证旋转磁势最大原则。总之，对称三相电枢绕组 通过换相电流，产生气隙旋转磁势，与转子内嵌磁钢形成电磁转矩，使飞轮式转子转动。 本课题的设计是以起动绕组效率最优为设计原则，同时兼顾发电性能，由于结构问 题，无法保证发电绕组产生的电能足最大值，只能以有效效率来计算。 2 4 永磁材料的选择 首先保证在起动发电装置的气隙中有足够大的气隙磁场和规定的性能指标，才能提 供足够大的起动转矩和发电功率。为此应选剩磁密度b r 大、最大磁能积( 占h ) 。，大的永 磁材料，这不仅会增大永磁体磁化方向长度，使工作点提高，削弱电枢反应的影响，而 且在获得相同磁场能量的条件下，最大磁能积越大，所用永磁材料越省，还可以有效地 减少每相串联匝到2 7 】。其次在规定的环境条件、工作温度和使用条件下应保证磁性能稳 定。最大电负荷时，起动发电集成装置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，。否则经过一段时间的运转，逐渐会使磁钢失磁或去磁，为 保证磁性能的稳定性，要求有很高的矫顽力日。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。矫顽力 大、恢复磁导率小的永磁材料抗外磁干扰的能力很强，所以能适应车辆复杂的动态工作 1 2 ，一，l o 0 c c 、-、， 万 万 2 3 4 3 山东理t 入学硕l ：学位论义第二章起动发l 乜机系统总体设计 环境。 通过对铁氧体和稀土永磁材料对起动特性与发电特性影响的分析，综合考虑车辆的 使用环境，永磁起动发电集成装置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b ，高，矫顽力h 。高，最大磁能积陋h ) 一高，而钕铁硼永磁材料正具 备这些优异的性能，因而转子磁钢最终选用钕铁硼永磁材料，型号为n t p 3 0 h 。 2 5 本章小结 本章对车用永磁起动发电系统进行了总体设计，确定了主电机类型、系统构成、和 起动发电机的功率参数，并针对车用起动发电机的工作特点选用了永磁材料。 本设计用于普通汽车的永磁无刷起动发电机有如下优点： ( 1 ) 省去了独立的起动电机，具有很大的实用价值。开发风险和对整个电源系统的改 动都较小，研究周期也较短，不仅可用于装备新机型，也可用r 丁老机型的改造，是一个 很有竞争力的产品。 ( 2 ) 采用高性能永磁材料，可靠性好、耐高温和耐潮湿，运行时噪声低，能够在较恶 劣的环境下长时间工作，结构简单，适合大批量生产，使用维护方便，成本较低。 ( 3 ) 采用新型绕组结构，节约铜材，效率高，飞轮轴向尺寸改动小，便于推广应用。 山东理t 人学硕f j 学f t 论文第三i 审起动发f u 机结构改汁与参数确定 第三章起动发电机结构设计与参数确定 3 1 起动发电机槽极数设计 3 1 1 槽极数的确定【2 8 j 在槽极数设计时，为使起动发电机的定子结构和转子极数能够同时满足起动和发电 的要求，本设计采用分数槽绕组。 采用分数槽绕组，在同一相绕组中的各线圈可安排在不同对极下，或安排为上层线 圈与下层线圈。这样分布，由于各对极下的齿、槽间存在着空间位移，使得一相绕组中 串联导体感应的齿谐波电势相位不同，从而使其合成电势因相量合成而被削弱，故能得 到较好的电势正弦波形。此外，永磁发电机在起动时出现磁阻力矩，也是由于永磁电机 的齿槽效应引起。从电机理论上讲，降低齿槽效应所引起的阻力矩的方法，主要是采用 定子斜槽、转子斜极以及定子分数槽绕组。采用斜极或者斜槽都会增加定子和转子的加 工难度，因此分数槽绕组的使用越来越广泛。而且根据相关文献分析及实践经验，采用 分数槽绕组是降低齿槽阻力矩的有效办法。 在交流电机中，有公式： g：三(3-1)g 2 2 m p 其中矿_ 极每相槽数， z 一总槽数 聊相数， 卜极对数。 若电机绕组的q 不为整数则称为分数槽绕组。过去分数槽绕组较广泛地应用于低速 水轮发电机的定子绕组中。 与整数槽相比，分数槽绕组应用在无刷直流电机上有如下优点： ( 1 ) 平均每对极下的槽数大为减少，可以用较少数目的大槽代替数目较多的小槽，可 减少槽绝缘占据的空间，有利于提高槽满率，进而提高电动机性能；同时，较少数目的 元件数，可简化嵌线工艺和接线，有助于降低生产成本。这一点对于多极无刷电动机更 为明显。 ( 2 ) 增加绕组的短( 长) 距和分布效应，改善反电势波形的正弦性。 ( 3 ) 分数槽绕组电机有可能得到线圈节距y = l 的设计( 集中绕组) 。每个线圈只绕在 个齿上，缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度，减少用铜量；各个线圈端部没有重叠， 1 4 山东理t 人学硕i j 学位论文第三章起功发电机结构殴汁与参数确定 不必设相间绝缘。所以有文献称这种绕组为非重叠绕组。 ( 4 ) 分数槽集中绕组便于使用专用绕线机，直接将线圈绕在齿上，取代传统嵌线工艺， 提高生产效率。 ( 5 ) 可以提高电动机性能。槽满率的提高、线圈周长和绕组端部伸出长度的缩短，使 电动机绕组电阻减小，铜损随之也减低，进而提高电动机效率和降低温升，同时又能降 低时问常数、提高快速性、增加功率密度等。 ( 6 ) 分数槽的齿槽效应转矩由于每转次数较多，幅值通常比整数槽绕组小，定子铁心 无须斜槽，有利于降低振动和噪声。 由于分数槽技术的上述优点，使其特别适用于永磁无刷起动发电机，并有助于电机 的结构紧凑、节能节材、转子小型化和定子轻量化。 3 1 2 槽极数优化设计【2 8 】 从感应电势的角度来说，线圈放在槽内的部分才是有效的，而端部是无效的。对于 整数槽绕组，线圈端部通常要跨过几个槽距，例如q = l 的- - = 丰i 电机，每对极下有6 个槽， 整距线圈端部要跨过3 个槽距，线罔端部比较长。较长的端部会增加