（农业机械化工程专业论文）永磁发电机气隙磁密的仿真研究.pdf

摘哽 摘要 永磁发电机作为车用电机有高效、节能、低碳、功率大和体积小等优点，但输出电压不 易调节、高频铁损人电机温度高、启动转矩大等白身缺陷，目前在永磁发电机汽车上很少被 采朋。本文从电机的工作原理入手，通过调节磁路中气隙的大小来改变磁阻，低速时气隙小， 高速时气隙人，进而达到调节输出电压的目的。本文提出在磁路中增加一个气隙槽的新思路， 并且气隙槽的人小能随转速自动调节。利用有限元方法，对可变气隙永磁发电机进行了仿真 设计计算，发电机转速在1 0 0 0 8 0 0 0 r m i n 范阐内，对输出电压进行了仿真计算，并分析气隙 对输出电压的影响。探索转速、气隙与输出电压三者之间的关系。仿真计算的结果是显著的， 转速为8 0 0 0 r p m 时，增加气隙使输出电压下降的幅度达到6 6 。从1 0 0 0 r p m 到8 0 0 0 r p m ，永 磁发电机的输出电压从5 0 7 2 0 3 2 v 波动范围，通过气隙的调节，缩d , n4 8 5 6 8 7 v 。本研究 表明，通过电机结构的改进，能有效地改善永磁发电机的性能，对永磁电机用作车用发电机 的实用性起到了积极的推动作用。 关键词：永磁发电机、有限元、仿真、稳压 i i i a b s t r a c t a sn l o i o r 、，e i c l eg e n e r a t o r ，p e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o r h a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g h e f f i c i c n c y ，c n cr g yc o n s e r v a t i o n ，l o wc a r b o n ，l a r g ep o w e ra n ds m a l ls i z e b u t p e r m a n e n tm a g n e t g c n e f a t o fh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s ，f o re x a m p l e ，i ti sh a r dt oa d j u s tt h eo u t p u tv o l t a g eo f p e r m a n e n t 肌i g n c tg e n e r a t o r ，w h e np e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o rh a sh i g hf r e q u e n c y t h ei r o nl o s si sh i g ha n dt h e t c m p c r a t u r ei sh i g ha n dw h e np e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o r i ss t a r t i n gu pt h et o r q u ei sh i g h 於w e l l s op e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o ri s m a g n e m ：c s i s t a n c eb ya d j u s t i n ga i r a d o p t e dr a r e l yi nv e h i c l ea t g a pi nt h em a g n e t i cc i r c u i t ， p r e s e n t t h i sd i s s e r t a t i o nc h a n g e s b a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f m o t o rw h c ndp e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o rr u n sl o w - s p e e di t c a na d j u s tt h ea i rg a pt os m a l l w h e n ad c r m a n c n tr n a g n e tg e n e r a t o rl l l n sh i g h s p e e di tc a na d j u s tt h ea i rg a pt ob i g i t c a nl e v e lo f ft h e 。i j t p u t 、硼3 生eo fp e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o r t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sa n e wi d e a ，i tc a l lm c r e a s e o m ca i rg a d si nt h em a g n e t i cc i r c u i t ，a n dt h es i z eo ft h ea i rg a p sc a nb ea u t o m a t i c a l l ya d j u s t e dw l t n l h en d c c d w cs i m u l a t et h ep e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o rw h i c hh a st h ev a r i a b l ea i rg a pb y f i n i t e c l e m o n tm e t h o d w es i 珈l u l a t et h eg e n e r a t o rw i t ht h er o t a t es p e e db e t w e e n1 0 0 0 r p ma n d8 0 0 0 r p m ， a n dw ea n a l y z e dt h eo u t p u tv o l t a g eo fa i rg a p w ee x p l o r et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e r o t a t l o n s p e e d ，t h e i z co fa i rg a pa n dt h eo u t p u tv o l t a g e s i m u l a t i o nr e s u l t s a l es i g n i f i c a n t w h e nt h er o t a t e s d e e di s8 0 0 0 r p m ，t oi n c r e a s et h eg a p s ot h a tt h eo u t p u tv o l t a g et od r o pt o 6 6 w h e nw en o t i n c r c a s et h ea j fg a p st h ep e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o ro u t p u tv o l t a g ef l u c t u a t i o nr a n g ef r o m5 0 7 。 2 0 3 2 v 。a n da f t e rw ei n c r c 弱et h ea i rg a p st h eo u t p u tv o l t a g ef l u c t u a t i o nr a n g ef r o m4 8 5 6 8 7 v t h i s 、t u d v 、h ) w st h a ti tc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fp e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o r b e c a u s eo ti m p r o v e m e n to fm o t o rs t r u c t u r e t h ep e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o rw i l lb eu s e da sm o t o r g e n e r a t o r 。t h ns t u d yh a ss o m ep o s i t i v ee f f e c t k e y w ，r d s ：p c r n l a n e n tm a g n e tg e n e r a t o r , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s i m u l a t i o n ，r e g u l a t o r i v 独创性声明 学位论文题目：丞垡发电扭氢隧垡窒鲍笾墓盟壅 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了 特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁 在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者： l 虱为 签字日期： 加i 。年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名： 阂够岔 导师签名： 签字日期：- 1 o10 年6 月e t 签字日期： 朗吁 勋fp 年月日 绪论 第一章绪论 1 1 车用发电机的作用及其发展趋势 车用发电机以汽车发动机为动力源，将发动机输出的一部分机械能转变为电能。车刚发 电机是汽车的主要电源，其作片；j 是在发动机怠速以上转速运行时，为车载用电设备供电并且 为蓄电池充电，使蓄电池保持在一定电压。 汽车上所有用电设备的电能由蓄电池或发电机提供，蓄电池的电能也来源于发电机，可 以认为，车载用电设备的所有电能都来源于发电机。蓄电池和发电机两个电源并联后与用电 设备相连。发动机起动时，发电机没有转动，因此不能发电，此时由蓄电池提供全部电能给 起动机、点火系统，使发动机转动。发动机正常运转后，发电机作为电源给车用电器设备供 电，并同时向蓄电池充电，保持蓄电池的电压。当车用电器设备用电量过大，超过发电机的 供电能力时，蓄电池和发电机共同作为电源给车用电器设备供电。 汽车发动机的转速决定了发电机的转速。车辆在运行的时候，由于路况复杂，尤其是在 城市中，车速变化频繁，发动机转速变化大且波动很大。现代汽车发动机的工作转速范围很 大，发动机转速一般在1 0 0 0 8 0 0 0 r r a i n 之间【。车用发电机的转速也随之变化，如此大的工 作转速变化要满足电压的调节精度、电压稳定的要求，在技术上必然有较人的难度。 现代汽车电子技术迅猛发展，车载电器的种类越来越多，应用越来越广泛。常见的有车 灯、雨刷、电控车窗、喇叭，有的车辆还配有g p s 导航仪、车载音响等。汽车运行时，车载 电器的使用由需而定，随机性非常大。因此车用发电机工作时，负载的变化范围非常大，也 非常频繁。 车用发电机是汽车电器系统中的重要部件，为适应现代汽车电子技术发展的需要，从6 0 年代使用硅整流发电机到现在，其结构形式已发生了很大变化，因为越来越多的汽车要求发 电机具有比功率大、高效节能、可靠性高、维修方便等特剧引。 1 2 车用发电机的发展过程 车用发电机主要经历了为两个发展阶段：上世纪六十年代以前，车用发电机主要是直流 发电机；上世纪六十年代以后到现在，人们主要采用硅整流发电机。直流发电机，利用电刷 和换向器，使交流电转变为直流电 3 1 。但是在换向时，由于摩擦，换向器与电刷之间常产生火 花，容易导致电刷和换向器损坏，发电机转速越高，换向器的火花也越大，甚至产生火环而 使发电机无法工作，直流发电机的工作转速一般在3 0 0 0 r p m 以上 4 1 。直流发电机结构和生产工 艺比较复杂，其故障率也较高，已被市场淘汰。上世纪六十年代之后，交流发电机基本取代 了直流发电机。交流发电机经过二极管整流，输出直流电，由于整流二极管是硅材料的，故 也被称为硅整流发电机。目前，国内外车用发电机几乎都是硅整流发电机。这是因为交流发 电机与直流发电机相比，具有质晕轻、能节省大量铜材、维修方便、体积小、结构简单、寿 命长、发动机低速时充电性能好、配用的调节器结构简单、产生的无线电干扰信号弱等优点， 因此，自从硅整流交流发电机诞生以来得到了迅速的普及。硅整流交流发电机推广应用近半 个世纪来，已完全取代了直流发电机。 目m l 学m * z 硅整流发电机一般由三相同步交流发电机和硅材料的二极管整流器组成，发电机l ：作时 输出的三相交流电输入到整流器经过三相桥式垒波整流后转换为直流电。硅整流发电机是 由转千、定子、风扇叶轮、整流器、端盖等组成。 转子由转子轴上的两块爪形隘极、两块磁极之间的励磁绕组及转于轴上的两个滑环组成。 两个滑环彼此绝缘井与轴绝缘。励磁绕组的两端分别焊接在两个精环上。茇电机作时转子 产生旋转磁场。 定于由硅钢片叠成的铁芯求对称绕在铁芯上的二相绕组组成。三相定子绕组一般以三角 形或星彤方式连接。三角形连接时，三相绕纽中一相绕组的首端与另一相绕组的尾端相连， j 1 = 将联接点接接流器的群二极管。星形连接时，三相绕组的首端分别与整流器的硅二极管相 连，三相绕组的尾端连在一起作为发电机的零电势点。在发电机1 = 作时定于与转子的磁场 相互作用产生交流电压。 整流器是由硅二极管组成的三相桥式全波整流电路一般有6 个、8 个、9 个或1 1 个硅二 楹茜9 1 。发动机工作时，定子绕组输出的交流电经过整流器转变为直流电。 陶1 2 砘整流发电机 硅整流发电机l 作时，直流l u 压通过电刷押滑环作用丁励磁绕组，励磁绕组中产生1 b 流， 绪论 在绕组周围形成磁场，使转子轴和轴上的两块爪形磁极被磁化，分别为s 极和n 极。两极在 极爪相间排列，从而形成一系列按圆周方向交错排列的磁极【6 l 。转子旋转，便形成旋转磁场， 定子绕组不断切割磁力线，定子绕组中的磁通量不断变化，使绕组中产生交流电，经过整流 器整流后，形成直流电。 1 3 车用永磁发电机的特点及主要问题 由于硅整流发电机依靠电励磁绕组产生磁场，通过电励磁绕组的人部分电能冈励磁绕组 发热而损失掉，只有少部分转换为磁能用于发电，而且励磁绕组因发热量人而容易烧毁，甚 至断线，这样势必增加了运行成本和维护成本。这些缺点使其不能满足现代汽车对车用发电 机的更高要求。 近年来，随着永磁材料磁性能的不断提升，永磁发电机的应用越来越广泛。永磁发电机 与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源，又 是磁路的组成部分。永磁体取代了励磁绕组，也就省去了容易出现故障的电刷和电环，因此 永磁发电机也被称为无刷发电机。永磁无刷发电机具有如下优点： ( 1 ) 永磁发电机取消了硅整流发电机的滑环、碳刷等结构，结构简单，避免了硅整流发 电机励磁绕组易烧损，碳刷、滑环易磨损等故障，可靠性有很大提高。 ( 2 ) 转子采用永磁体结构，使发电机内部结构排列得十分紧凑，重量和体积减少很多。 同时，转子结构简单，使转子转动惯量降低，实用转速增加，比功率得到很人提高。 ( 3 ) 在发动机功率相近的情况下，中、低速时，永磁发电机比励磁发电机的输出功率高 一倍左右。 ( 4 ) 永磁发电机是一种节能产品。永磁转子不需要依靠电励磁来产生磁场，因此省去了 励磁功率，永磁转子没有了碳刷、滑环，因此也省去了两者间冈磨擦产生的机械损耗，这使 永磁发电机效率提高很多。硅整流发电机的转速在1 5 0 0 r p m 至6 0 0 0 r p m 之间时平均效率只有 4 5 至5 5 ，而永磁发电机高达7 5 至8 0 1 7 1 。 ( 5 ) 如果蓄电池损坏，只要发动机处于运行状态，汽车电器系统仍可工常上作，在车辆 起来时，通过摇转手把或溜车，仍可以点火运行。 ( 6 ) 永磁发电机没有了碳刷和滑环，也就避免了电火花，适合在有爆炸性危险的环境中 运行，同时也降低了发电机对环境温度的要求。非常适合在灰尘多或十分潮湿的恶劣环境下 工作。 ( 7 ) 硅整流发电机中的碳刷与滑环摩擦时会产生无线电干扰，永磁发电机没有碳刷和滑 环，因而也消除了这样的无线电干扰。 永磁发电机发电性能的关键因素是永磁体的磁性能。稀十的磁性能非常好，但是稀十的 价格比较贵。稀士永磁发电机的制造成本比硅整流发电机高，但由于稀十永磁发电机效率高， 制造成本会在电机的运行中得到很好的补偿。人们相信，随着永磁发电机技术的发展，永磁 体成本的问题将会得到解决。有国外专家认为，人们更注重电机的运行成本，而不是制造成 本。这一说法充分说明了永磁发电机的市场前景不会被成本问题困扰。换而言之，永磁发电 机将会取代硅整流发电机成为新一代车用发电机。 虽然永磁发电机具有上述诸多优势和良好的市场前景，但是目前的实际应用情况并不理 3 两南人学硕i 导：1 节论艾 想。永磁发电机的应用存在一定的局限性，还不能广泛的在汽车上被采用。车用永磁发电机 目前面临的几问题如下【8 j ： ( 1 ) 高速时铁损( 铁芯涡流损耗) 较大，使永磁发电机温度上升严重； ( 2 ) 起动转矩大； ( 3 ) 发电机转速变化范围大，使感应电动势电压变化范围很大。 汽车发动机的转速变化范围很大，使得车用发电机的转速随之也在很大范围内变化，通 常要求发电机在1 0 0 0 至8 0 0 0 r m i n 甚至更宽的转速范围内能正常工作。根据电磁原理可知， 永磁发电机产生的感应电动势与转速及有效磁通量成正比。所以，转速或有效磁通变化均会 造成感应电动势电压波动，而且波动范围较大，发动机在高转时，交流电压幅值常常在1 0 0 v 以上，而标准规定车用发电机的输出电压为1 4 v 【9 1 。显然，如此高的电压是不能适应汽车需要 的。如何实现稳压，已成为永磁发电机能否应用于汽车的关键。 1 4 车用永磁发电机的研究现状 永磁发电机由永磁体产生磁场，所以就不能通过调节励磁磁场的大小来调：爷输出电压， 因为永磁体磁场不能调节，要使发电机输出电压稳定在某个值，目前主要是在外围电路上做 研究。为了达到稳压的目的，人们的研究大多数集中在p w m 稳压技术。该技术主要是利用 m o s f e t 、i g b t 等电子元器件的开关作用，对其进行控制而实现稳压【加】。该技术的工作原理 是：车用永磁发电机产生的交流电，首先经过整流电路，将其变换为直流电，再根据直流电 压的大小改变场效应管的占空比，使场效应管输出的电压平均值稳定在期望值。但是该技术 对于高速时铁损和启动转矩大等问题并不能解决。 永磁体的磁性能不仅永磁材料本身有关，还与永磁体的形状、尺寸以及充磁方法有关， 永磁体具体性能数据的离散性较大。永磁体在永磁发电机中所能够提供的磁通量和磁动势还 会因磁路导磁材料的磁性能、气隙大小和电机的运行状况的变化而改变。永磁发电机的磁路 结构种类繁多，漏磁通占的比例较大，磁路非常复杂，导磁材料部分容易形成磁饱和，磁导 率是非线性的。这些因素增加了永磁发电机电磁计算和设计的复杂性，计算结果的准确度往 往低于硅整流发电机。所以，需要建立新的设计概念，重新分析和改进磁路结构和控制系统； 必须应用现代设计方法，研究新的分析计算方法，以提高设计计算的准确度；必须研究采用 精确的测试方法和制造工艺。 1 5 本文主要研究的内容 目前，人们对发电机的研究主要集中在发电机的变速恒频和稳压技术，即在不同转速下 产生的感应电动势的频率和幅值趋于不变，本文研究的重点在稳定幅值。 本文从产生感应电动势的基本原理着手，针对车用永磁发电机输出电压随转速变化大的 问题进行研究。与目前大多数研究方法不同的是，控制永磁发电机输出电压的重点不是通过 外围电路进行p w m 的稳压处理，而是通过调节永磁发电机磁路中的磁通量来控制输出电压。 具体的研究路线是：通过设置可变气隙，将永磁发电机磁路中磁轭一处的横截面积变为可调， 从而使整个磁路的磁阻能随发电机的转速变化而变化，转速越高，磁阻越大，转速越低，磁 4 绪论 曼meieiill一一i ! 一l 皇曼曼曼曼曼曼蔓曼鼍曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍 阻越小，磁通量的变化对转速产生的影响进行补偿调节，抑制感应电动势随转速的大幅波动。 提高刚电系统的安全性，减小电机的发热量，提高可靠性都能发挥作用。本研究土要借助有 限元方法，采用a n s o f l 公司的m a x w e l l 软件包对永磁发电机进行电磁计算，仿真不同转速和 不同气隙大小条件下永磁发电机的输出电压，找出各种转速对应的气隙人小，在该对应关系 下，输出电压在比较小的范围内变化。并提出一种改变气隙大小的方法。 5 两南人学硕f 学f 一论支 第二章永磁发电机的结构特征及性能参数 2 1 永磁发电机的主要结构分类 通常永磁发电机可以分为切向式、径向式、混合式和轴向式四种，这是根据永磁体磁化 方向与转子旋转方向之间的关系而形成的分类1 1 1 l 。 ( 1 ) 切向式转子磁路结构 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，尤其对于发电机极数较多的情况，这种优势更加突出。切向式转子磁路结构中永磁 体的磁化方向与气隙磁通轴线接近垂直，永磁体离气隙较远【1 2 l 。切向式转子磁路结构的漏磁 通比轴向式结构和径向式结构大。切向式转子磁路结构比较适合于要求气隙磁密高且极数多 的永磁同步发电机。 ( 2 1 经向式转子磁路结构 径向式转子磁路结构中，永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线相同并且离气隙较近。漏磁 系数比切向式磁路结构小。在一对极磁路中有两个永磁体提供磁动势，只有一个永磁体截面 提供每极磁通，所以气隙磁密比其他几种磁路结构低。径向式转子磁路结构中永磁体的形状 主要有矩形、瓦片形、星形和环形四种。 环形永磁体直接浇铸或粘结在发电机转轴上，环形机械强度较高，能够在较高转速下运 行。其结构和制造工艺最简单，但是环形永磁体的永磁材料利用率不高。星形永磁体直接浇 铸或粘结在发电机转轴上，工艺和结构比较简单，永磁材料的利用率比环形永磁体高。但是 漏磁较大，不易充磁，永磁体难以均匀磁化。而且永磁体的形状较复杂，永磁材料的磁性能 同样不高。为了在尽量小的转子直径中安装尽量多的永磁体以提高气隙磁密，又因为稀土永 磁的矫顽力高，永磁体磁化方向长度可以较小，现代永磁发电机主要采用矩形永磁体和瓦片 形永磁体。矩形永磁体的加工费用最低，磁化均匀，磁性能最好。用矩形永磁体条构成的瓦 片形永磁体可以减少永磁体加工费用。调： 了瓦片形永磁体的宽度和矩形永磁体极靴的形状和 宽度，就可以调节极弧系数。转子扼用磁性材料制成【1 3 1 。永磁体之间是非磁性材料，既可以 起到阻磁作用，又对转子扼和永磁体的同定起到一定作用，进一步提高了高速运行发电机的 可靠性。 ( 3 ) 混合式转子磁路结构 在混合式转子磁路结构中，径向和切向都放置了永磁体。在转子体积一定的条件下，它 能够下提供更高的气隙磁密，换而言之，为提供相同的气隙磁密，混合式转子磁路结构的转 子体积更小。如果切向和径向永磁体的相互位置、尺寸都合理，漏磁系数大大减少，在转子 尺寸和额定输出功率都相同的条件下，减少了永磁体用量，提高了永磁材料的利用率。但混 合式转子结构比较复杂，对转子槽形和永磁体的加工精度要求较高。 ( 4 ) 轴向式转子磁路结构 爪极式转子是轴向式转子磁路结构中最常见的一种。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环或圆柱形永磁体组成。两个带爪法兰盘的爪数相等，爪数为极数之 半。左右两个法兰盘的爪极互相错开，沿圆周均匀分布。永磁体在两个带爪法兰盘中间，一 6 水磁发i u 机的 j i 构持仃及f ， ：能参数 皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼舅曼曼。 。mm i 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! 曼曼曼曼 个法兰盘上的爪为s 极，另一个法兰盘上的爪为n 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【1 4 】。 爪极转子的优点是：永磁体形状简单、磁性能好、磁化均匀、磁利用率高；直轴电枢反 应对永磁体的去磁作用较小，永磁体的抗去磁能力较强，交轴电枢反廊在爪极中闭合，爪极 间漏磁较大；爪极使气隙磁场稳定，不会发生不可逆畸变。冈此爪极转子特别适刚于极数多 或频率高的永磁发电机。爪极转子的缺点式是：当发电机的容量较人或转速较高时，爪极离 心力很大，需要适当增大电机气隙，并采 j l 专f j 的紧同措施；爪极和法兰盘所占转子体积的 比例较大；爪极的结构复杂，制造困难费时；电机质量较大，不宜做成工频发电机。 2 2 永磁材料性能参数 ( 1 ) 剩余磁感应强度b r 永磁材料充磁饱和，去掉磁化磁场，永磁材料的磁感应强度值，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，磁体能够 提供的磁场强度h 越强。 ( 2 ) 矫顽力h c 永磁材料饱和充磁后，外加反向磁场，当磁体剩余磁感应强度b r 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为零时相应的磁场强度值，称为矫顽力。矫 顽力代表了它抗外磁场干扰的能力，矫顽力低，则抗外磁场干扰的能力弱；矫顽力高，抗外 磁场干扰的能力强【1 5 l 。 ( 3 ) 磁能积( b h ) 和最大磁能积c b h ) m a x 磁能积是指退磁曲线上任一点的磁通密度与磁场强度的乘积，磁能积的单位是j i n 3 ，表 示单位体积的永磁体能向外磁路提供的磁场能量。磁能积与永磁体在给定工作状态下所具有 的磁能密度成正比。永磁体的最人磁能积决定于三个因素：剩余磁感应强度、矫顽力和永磁 体的形状系数【1 6 j ( 与退磁曲线在第二象限向外突出的程度有关) 。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，所以在永磁发电机中使用的永磁体的 最大磁能积越大越好。 ( 4 ) 居里温度t c 一般情况下，永磁体的磁性能随温度升高而降低，当温度升至某一点时，磁化强度消失， 该温度称为该永磁材料的居里温度t c ，又称为居里点。 ( 5 ) 退磁曲线 永磁材料用磁滞【亓l 线来反映其磁特性，磁滞同线就是b h 曲线，表示磁感应强度b 随磁 场强度h 改变的规律，如图2 1 所示。b h 曲线的第二象限的部分称为退磁曲线，它是永磁材 料的基本特性曲线，退磁曲线中磁感应强度d m 为正值而磁场强度仃m 为负值。这说明永磁体 是一个磁源，类似于电路中的电源。下文中横轴以h 的绝对值表示。退磁曲线的两个极限位 置是永磁材料磁性能的丽个重要参数。退磁曲线上磁场强度h 为零时相应的磁感应强度值为 剩余磁感应强度。退磁曲线上磁感应强度b 为零时相应的磁场强度值为矫顽力。磁场能量密 度2b - 2 ，退磁曲线上任一点的磁通密度与磁场强度的乘积被称为磁能积，磁能积与 永磁体在给定工作状态下所具有的磁能密度成正比【1 7 】，图2 2 反映了这种关系。 7 两南j j 学硕f 学f t 论艾 图2 1 磁滞同线 图2 2 退磁曲线与磁能积 ( 6 ) 回复线 退磁曲线所示的磁通密度与磁场强度问的关系，只有在磁场强度单方向变化时才存在。 实际上，永磁电机运行时受到的退磁磁场强度是不断重复变化的【1 8 l 。如图2 3 所求，当永磁体 的工作点在p 点时，受到更大的去磁磁场强度，使其工作点下移到q 点，当外加磁场强度减 小，永磁体的工作点并不沿原退磁曲线，由q 点上升，而沿另一条曲线上升，此上升曲线被 称为回复线，回复线的磁导率称为回复磁导率。 图2 3 回复线 8 水磁发f u 机的结午 ：- j 特7 i r 及t 牛能签数 2 3 目前车用发电机的结构特点和性能参数 随着汽车t 业的飞速发展现代汽车正向高速化、小型化、轻量化、高可靠性等方向发展， 相应地对发电机也提出了更高的要求高可靠性和长使用寿命大功率、高转速人比功率，即体 积小、重量轻、功率大。高效率，即节能犁产品。改善低速供电性能，简化结构和控制线路。 根据目前汽车对发电机功率及各方面性能的要求，主要技术指标如_ 卜【1 9 l ： 额定电压：1 4 v 额定功率：1 0 0 0 w 额定转速：1 0 0 0 8 0 0 0 r m i n 绝缘等级：e 级 防护等级：i p 2 3 工作温度：4 0 + 7 5 2 4 车用永磁发电机的构想和性能要求 车用永磁发电机由电机本体和稳压电路构成。影响车用发电机发电性能的主要因素有永 磁材料、定子结构、转子结构和稳压装置。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。影响车用永磁发电机发电性能的因 素主要有永磁材料，转子和定子。本文采用仿真的对象采用稀土钦铁硼永磁材料，内转子结 构，瓦片形磁钢，径向磁化结构，鼓形绕组。 根据目前车用发电机的性能参数，我们希望从电机本体输出而未经过稳压电路的电压在 3 0 v - 1 0 0 v 之间，经过稳压电路后，电压保持在1 4 v 。 9 两南人7 硕l f 一论定 第三章永磁发电机的理论分析 3 1 永磁发电机的工作原理及理论分析 永磁发电机由端盖、转子及定子等构成，属丁同步发电机。永磁发电机的定子主要由绕 组与铁芯组成，转子由磁钢( 即永磁体) 和导磁材料组成。因为磁钢充磁后，自身就是磁源， 不需要通过外加励磁磁场，这与励磁电机相比，节省了励磁电流所消耗的能量，电机结构同 时也得到简化。 转子的作用是提供磁场。永磁发电机运转时，转子产生旋转磁场。定子的作用是产生交 流电。定子又称为电枢。定子铁芯由互相绝缘的硅钢片叠成，定予绕组的导线就缠绕在铁芯 槽中。互相绝缘的硅钢片可以有效的减小涡流损耗。当定子绕组的导线不断切割磁力线或者 穿过定子绕组的磁通量不断变化时，就会产生感应电动势，也称为感生电动势。 电机空载时，即输出端为开路，则定子绕组中只产生感应电动势，并不会形成电流，根 据电生磁的基本原理，定子绕组并不会产生磁场，气隙中的磁极主磁场仅由磁钢提供，磁钢 的励磁磁势为1 ，空载时感应电动势为d o 。若接上负载，则定子绕组中的导线有电流流过， 并产生电枢磁场，形成电枢磁势r 。励磁磁势，与电枢磁势，n 相互作用，形成合成磁势， 并建立合成磁场。两者都以同步速同方向旋转，在空间上相对静止。电枢磁场使磁极主磁场 的大小和相位发生变化，该现象称为电枢反应。 电枢磁势，a 与励磁磁势r ，的相位差对电枢反应有重要影响【2 1 1 ，而该相位差和平有关， v 为空载电动势厶。与负载电流1a 之间的相位差，1 l ，的大小决定于负载的性质。例如，当负 载为纯容性时，c o 滞后1n 为9 0 度；一般情况下，负载中既有电容又有电阻，l l ，就大于9 0 度。所以电枢反应与负载的性质有关。 qd c 耋零c l i i； ii i霉_ 、i - l ； ； 产_ 、 - i ：i： 图3 1 交轴电枢反应 v = o 度时，负载电流j 。与空载电动势e 。相位相同。此时电枢磁势只与励磁磁势0 的 1 0 永磁发i u 【的珲论分析 相位成正交关系，互差9 0 度。如图3 1 所示，d 表示转子磁极中心线，称为直轴；q 表示极 间中心线，称为交轴。从该图中可以看出，电枢磁势1n 使每个磁极的后半部分磁场加强，起 到助磁作用；而使磁极的前半部分磁场减弱，起剑去磁作用。这种效应，使合成磁势的中心 线偏离了原来磁极中心线直轴，使得气隙磁场发生一定程度的变化。这种电枢反麻是交轴电 枢反应【2 2 1 。 当有交轴电枢反应时，合成磁动势的幅值有所增大。由于每个磁极的后半部分磁场有所 加强，而每个磁极的前j f 部分磁场减弱，使得合成磁动势的波形前后部分发生不同的畸变， 后半部分波形幅值增大，变得略显“肥胖”，而前半部分波形幅值减小，变得“消瘦”了一些。 1 王，= 9 0 度时，空载电动势o 超前负载电流1n 9 0 度。如图3 2 所示，线圈边位于极中心 的那相绕组，电势也。为最大值巴m ，由于l 王，一9 0 度，则其电流最大值为o m 的那相绕组的空 间位置，按照旋转方向落后电势为最大值厶m 的绕组9 0 度，此时1n 起直接的去磁作用；反之， 当v = 一9 0 度，空载电动势岂。滞后负载电流on 9 0 度，n 起直接的助磁作用。这两种电枢反 应是直轴电枢反应p 1 。 同时，从图中可以看出，直轴电枢反应只影响合成磁动势的大小，并不影响合成磁动势 的波形，只起到去磁或助磁的作用。 直轴电枢反应与交轴电枢反应是所带负载为纯电阻、纯电感或者纯电容情况下的电枢反 应，是永磁发电机电枢反应的两种特殊情况。然而在现实的汽车电子系统中，车载电器负载 并不是单纯的电阻、电容或者电感，而是由这三种负载形成的混合型负载，并且由于车载电 器被使用的随机性很大，负载变化的随机性也就很大。因此，车用发电机的电枢反应变得更 为复杂。 ， 对于混合型负载的电枢反应，通常采用勃朗德的“双反应理论”进行分析【矧，将电流1n 分 解成为两个分量，一个为直轴分量1 耐，另一个为交轴分量14 叮。直轴分量1n d 与空载电动势d 0 成9 0 度角，交轴分量1 a q 与空载电动势d o 同相，相应的关系为： i 缸| i4s i n q i = i4c o s l u q ilg4 j!i i 4 睾掣。1 t 。彳十。r ” 臣习 田| 田 ：1 i- j 。弋 。 。 ； 两i 幸人”硕f 学f 0 论史 图3 2 直轴电枢反应 同理，将电枢磁势只也分解成两个分量，一个直轴电枢磁势e d ，一个交轴电枢磁势e q 。 直轴电枢磁势由，甜产生，交轴电枢磁势由i a q 产生。相应的关系为： = v o s i nv = f o c o s l l ， “双反应理论”是分析同步发电机电枢反应的一种基本方法，也适用于永磁电动机。其 主要的思想是认为直轴屯枢反应只由直轴电枢磁势1a d 产生，交轴电枢反应只由交轴电枢磁势 q 产生。图3 3 为j 口和上口分解的相量关系图。 由以上的理论分析可知，永磁发电机的电枢反应改变了合成磁场的大小和位置，使定子 绕组中因切割磁力线而产生的感应电势发生变化。换而言之，电枢反应导致了永磁发电机端 电压发生变化。在励磁发电机中，通过调节励磁电流来调节气隙磁通”，使得电枢反应对合 成磁场的影响得到降低，从而控制发电机输出电压。而永磁发电机励磁磁场是固定的，在电 机安装好以后，励磁磁动势不会改变，电枢反应对发电机输出电压的影响很明显。 j l 叫| | -j 图3 3 分解向量关系图 当发电机转速以和负载功率因数c o s 妒为常数时，函数曲线u 。，【) 称为外特性，因此， 从外特性曲线可以看出发电机输出电压受负载影响的程度瞄l 。外特性曲线与负载的功率因数 w s 垆有关，在电容性负载时，直轴电枢反应对磁铁起增磁作用，气隙有效磁通增加；在电阻 性或电阻电感性负载时，直轴电枢反应对磁铁起去磁作用，气隙有效磁通减小。 图3 4 为一组典型的永磁发电机外特性曲线。其中，1 i 为短路电流。曲线1 表示负载为纯 电感，负载功率因数c o s 驴2u ，外特性急剧下降；曲线2 表示负载为纯电阻，负载功率因数 c o s 妒2l ，外特性下降较缓；曲线3 表示负载中既有电阻又有电容，如外功率因数角驴超前 一定值，外特性在一定负载范围内稍有增高；曲线4 表示负载为纯电容，外特性反而上升。 1 2 水磁发f u 饥的理论分析 _ _ i _l_i l ! 曼量曼! 曼曼! ! 鼍曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼蔓曼曼皇曼曼曼! 皇曼皇皇曼曼曼寰蔓曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼 图3 4 永磁发电机的外特性曲线 由外特性曲线可知，在一定转速下，发电机端电压“随着输出电流的增加会有较大下降。 在发电机高速运转时，如果突然去掉负载，发电机端电压会急剧上升，这种情况可能导致i g b t 、 m o s 管等电子元件因瞬时过高电压而损坏f 2 6 1 ，因此设计时必须考虑发电机高速旋转时，大幅 度突然减载的工况对电压的影响。 由永磁发电机特点的分析可知，发电机感应电势与转速和有效磁通成正比。因此，无论 是转速变化还是负载变化( 负载变化引起的电枢反应造成有效磁通的变化) ，均会造成发电机的 输出电压波动。 3 2 感应电动势与频率、磁通、磁动势和磁阻之间的关系 汽车永磁发电机工作时，其转子通过发动机拖动而旋转，极性相间的励磁磁场随轴一起 旋转并顺次切割定子的各相绕组，相当于绕组的导体反向切割励磁磁场，会在其中感应出大 小和方向按周期性变化的交变电势。空载运行时，每相感应电势的有效值为【冽： e o | 4 4 4 似巾f k w 式中，n 为定子上每相绕组总的串联匝数；驴，为每极气隙磁通；，为感应电势的频率； 庀w 为电枢绕组系数。 在永磁发电机中，转子的转速和旋转磁场转速相等，因此， 6 0 f = p n 其中，p 为转子磁极对数，以为旋转磁场转速( 转子转速) 。所以， 9 0 4 4 4 告m k ( 1 ) e o 是由气隙磁通驴，在电枢绕组中感应而得，称为励磁电势( 也称主电势或空载电势) 。 3 3 永磁发电机转速对感应电动势影响的理论分析 汽车用永磁发电机的 ：作特点是转速变化范围大，因此，必须了解其端电压、输出电流 及转速变化之间的关系，即转速负载特性，才能做出合适的技术方案。 1 3 两雨，：7 ；：坝f 。：f i , - 论文 当负载一定时，永磁发电机的端电压u 与转速，l 之间的关系曲线( ，；厂) 称为转速负载 特性。 如果认为发电机的负载是纯阻性的，则发电机的端电压可以近似的写成： t t e o r ( 厂+ r ) 2 + 嘞2 ( 2 ) 式中，尺发电机的负载； 秘一x s + x a ( 欧) ； z ，电枢绕组漏抗( 欧) ； 石一电枢反应电抗( 欧) 。 由式，1 可知，上式中的e o 与以成正比例；而x n 也与以成正比例。当转速很小时，很 4 、，由于( 厂+ r ) 芝丸，分母中的可以忽略，所以【，= ，g ) 曲线接近直线。随着转速的提 高，嘞值按比例增大，而( ，+ 尺) 则几乎不变( 尺稍有增大) 。因此当万达到某值时，u 值的增 长率开始减小，如图3 5 所示。 d 图3 5 永磁发电机的转速负载特性曲线 3 4 磁阻对磁通的影响，以及磁阻对感应电动势影响的理论分析 从图3 6 中可以看出，永磁发电机磁路经过永磁体、气隙和导磁材料。其中气隙的导磁率 最低，即磁阻最大。气隙磁阻远大于永磁体和导磁材料的磁阻，气隙是影响整个磁路磁阻的 主要因素【勰1 。 磁阻与磁通的关系如下： f = 矿木r 。 ( 3 ) f 为磁动势，驴为磁通，r 。为磁阻。 当输出端为开路时，则绕组中没有电流，此时磁路中提供磁动势的只有永磁体，而永磁 体所产生的磁动势是恒定的。因此，在这种条件下，磁通与磁阻成反比。而感应电动势与磁 通成正比【2 9 1 ，因此可以认为，感应电动势与磁阻成反比。 1 4 图36 承磁发电机碰力线 35 永磁发电机可变气隙对感应电动势的调节作用。 我们知道，在电路中电阻与导电介质的长度、横截面积以及介质的l n 导率有关。同样， 在磁路中磁阻的大小与磁路的k 度f 成止比。+ ，融路的横截面积5 成反比，并与组成磁路的 材料性质有芙。磁阻的计算公式如f 1 ： 小等 m l 为导磁介质的k 度，5 为导磁材料的横截卣积，p 为介质导磁率。 根据公式( 、( 3 ) 、( 4 ) ，我们可以肴出，由l 。横截面积不变，磁阻越太，则磁通越小， 使得感应电动势越小：反之，磁阻越小，u 磁通越人，使得感应电动铬越大。在永磁发电机 中气隙碰阻远人于水碰体目i 导磁介质的啦阻，田此可咀认为，气隙磁阻是影响整个磁阻大 小的主要因素。在气隙横截面积5 丰气隙导磁率f 都不变的情况下，磁阻“一与气隙厚度f 成 反比，改变气隙厚度l 则会改变磁阻“m 。 综上所述，可以通过改变气隙厚度米改变永磁麓r n 机的端电压大小。转速不变时气隙 厚度越大0 感麻电动势越小：而气隙厚度越小，则感麻电动势越 。 36 永磁发电机在运动时调节磁阻的方法 在转子径向方向增加气隙槽，井使横截面积成为可调。尉块导磁材料插入气隙槽。在 转干运转时，调扭该导磁材料插a 的深度，则可起到调节磁路磁阻的作用。昔转速高时，调 h 导磁材料使其插入得较拽，甚至不捅入，使磁附变 ：当转速低时，调节导碰材料使其插 入得较 栗，使磁阻变小。 蛔削37 所示，1 为气隙楠的晴节模块，2 调节拨义，3 滑套，4 钢球6 磁钢。当转速增 大时，钢球4 所产生的离心力作j 到滑套的锥面上产生轴向分力f z ，轴向分力f z 克服调节 掸簧山，推动楷套向右移动，同时，推动滑套推动调竹拨义2 逆时钟转动，带动调节模块向 f 摆动，逐渐穆出气隙槽，使气隙槽得横截面积变大。 口m # 衄l 学位论i 如幽3 8 所示- 幽( a ) 为转速较低时的电机2 d 模型，幽( b ) 为转速较高时的电机2 d 模型。 当转述低时，导磁材料插入气隙椭较深，使得气隙枘较垣；当转速高时导磁材料捶八气隙 梢较浅，使得气隙槽较睦。 刚37 可调节磁阻电机的构想矧 37 永磁发电机常用的设计方法 永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造j 二艺有戈，还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的群 鼍和充磁方法有戈，具体性能数据的离散性很人。而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和 磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。此外，永磁发电机的磁 路结构多种多样，抽磁路十分复杂而且辩磁通占的比例较大铁磁材料部分又比较容易饱和， 融导是非线性的。这些都增加了永磁发电