工程硕士学位论文车用发电机的节能与多电压问题研究

1、单位代码 10635学 号 2004001 工程硕士学位论文工程硕士学位论文车用发电机的节能与多电压问题研究论文作者：指导教师：刘峰专业领域：机电一体化提交论文日期： 年 月 日论文答辩日期： 年 月 日学位授予单位：西南大学中 国 重 庆2008 年 3 月论文目录论文目录第 1 章文献综述.41.1 车用发电机的发展概况.41.1.1 车用电励磁硅整流交流发电机概述.41.1.2 车用永磁发电机概述.51.2 汽车电气系统升压问题概述.81.2.1 汽车电气系统升压的原因与好处.81.2.2 国内外关于汽车电气系统升压及多电压的研究概况.8第 2 章 引言.92.1 课题的背景和意义.92

2、.2 本课题的研究难点.102.3 本课题的研究设想.112.3.1 本课题关于节能高效问题的研究设想.112.3.2 本课题关于多电压输出问题的研究设想.112.4 本课题的研究方法和手段.122.4.1 围绕电机的基本参数 绕组电感的非线性问题，对三相永磁同步发电机的绕组参数进行分析。.122.4.2 高性能车用永磁发电机的开发。.122.4.3 结合未来汽车供电系统的发展趋势，设计并实现多电压供电的恒压整流控制系统。.132.4 本课题的预期结果.13第 3 章车用永磁发电机的设计.133.0 引言.13车用永磁发电机主要设计参数的确定.143.1 转子的设计.153.1.1 车用永磁发

3、电机转子磁路结构选择.153.1.2 永磁体的确定.183.1.3 永磁体极对数的确定.203.1.4 发电机气隙长度的确定.223.2 车用永磁发电机定子的设计.233.2.1 三相永磁同步发电机的基本电路方程.243.2.2 定子单相绕组的电感：.263.2.3 相邻相电流对相绕组自感的影晌.283.2.4 相绕组间的互感.313.2.5 车用永磁发电机高速运行时输出特性分析及优化措施.333.4 改善车用永磁发电机的冷却措施及磁场分析.363.5 改善车用永磁发电机的驱动方式.37第 4 章永磁发电机电子稳压电路的设计.374.0 引言.374.1 永磁发电机特性分析.374.2 目前永

4、磁发电机电压的调节方法.384.3 永磁发电机电压调节器的电路组成示意图.394.4 基准电路和电路保护电路.404.5 采样检测电路和比较电路.404.6 触发电路.404.7 发电机电压调节器电路及其工作过程.404.7.1 电压调节器电路组成.404.7.2 电压调节器电路的工作原理及其过程.41第 5 章 性能试验.41第 6 章 结论.42参考文献.43第第 1 1 章章 文献综述文献综述发动机是利用燃料在气缸内燃烧所发出的热能，以气体作为工作介质，将热能转变为机械能。发动机在完成能量转换时，必须经过进气、压缩、做功、排气四个过程，即一个工作循环才能完成。 试验表明，发动机中燃料燃烧

5、所发出的热能，只有20%45%转化为有效功，其余的热能随冷却介质、废气等从发动机排出，还有内部传动机构的在传递过程中的损耗，这些损耗主要包括发动机内部运动件的摩擦损失，驱动附属机构（配气机构、风扇、水泵、机油泵、发电机等）的消耗和泵气损失等机械损耗。如果按目前汽车工业的发展趋势和能源消耗水准计算，地球上的能源储备只夠用上50年，所以汽车的经济节能性是当前世界汽车工业发展面临的主要问题。 发电机作为汽车发动机的主要附属装置，它要消耗发动机的输出功率，搞好发电机的节能问题研究，也可以说是对发动机节能走出的重要一步。1.1 车用发电机的发展概况汽车发电机的发展，大体上经历了三个阶段:直流发电机、电励

6、磁三相交流发电机、三相永磁交流发电机。最初，由于技术水平落后，交、直流电间的转换比较困难，而汽车上的蓄电池要求直流充电，因此汽车上用的发电机都是直流发电机额定电压通常有6v、 12v和24v三种)，所以在上世纪70年代以前，直流发电机曾一度占领了汽车发电机的主导地位 。但直流发电机具有体积大、效率低、结构复杂、故障率高、不易维护等缺点，渐渐不适应汽车发展的要求。在上世纪70年代末、80年代初，直流发电机逐步被有刷和无刷的三相同步发电机代替，其输出的三相交流电经硅整流器件变成需要的直流电(14v或28v)。这两种结构的三相同步发电机统称为电励磁硅整流交流发电机，这种发电机是目前国内、外汽车中普遍

7、使用的发电机。随着汽车技术的发展，现代汽车要求其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，因此要求其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，电励磁硅整流交流发电机已不能满足现代汽车高标准要求。近年，随着稀土永磁电机的发展，再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，为汽车发电机向大功率、小体积、高效、高可靠性方面发展提供了条件。车用发电机，目前几乎全部采用传统的电励磁硅整流交流发电机，改用永磁发电机后可显著提高其运行性能。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

8、算每年对车用发电机的需求量为700多万台 具有广阔的应用前景。1.1.1 车用电励磁硅整流交流发电机概述传统励磁硅整流交流发电机存在的问题：（1）目前硅整流发电机是通过电励磁绕组产生磁场的，通过电励磁绕组的电能只有一部分转换为用于发电的磁能，部分电能由于励磁绕组发热而消耗掉，而且转子的励磁绕组易烧毁、断线，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。（2）硅整流发电机一种是带有碳刷滑环结构，滑环直径大、线速度高、碳刷容易磨损、故障率高，寿命短，运行寿命只有3000小时。而每运行750小时就需要更换碳刷进行保养，而且碳刷与滑环在摩擦接触时会降低发电机工作效率，由于采用励磁线圈和碳刷

9、滑环结构使发电机结构较复杂和体积增大。（3）由于采用碳刷滑环结构，对环境的影响较大，并且由于碳刷磨擦会产生的无线电干扰，对其他用电器的工作产生影响。（4）低速发电性能不好，发电容量小，功率密度低，对蓄电池影响较大。目前硅整流交流发电机的改进措施：（1）改有电刷的励磁电路为无电刷电路，减少了电刷和电刷环，避免炭刷的与电刷环的摩擦和接触不良，提高了汽车发电机的可靠性和工作效率，然而增加了磁场气隙、漏磁大，电机的功率密度指标有所下降，使得电机的体积、重量均有所增加，成本增加。（2）改传统的六管整流电路为九管、八管或十一管整流电路，提高输出功率，但这也只解决了发电机已输出功率的利用问题，本身效率并没提

10、高。（3）双“y”绕组二整流桥串并联转换可以提高输出功率，由于采用接触器、单管功率管或双向晶闸管控制两套定子三相绕组的串并联运行来提高发电机的效率, 由于接触器的机械寿命和电寿命有限, 这种运用受限制,单管功率管的管压降较高使建压困难, 而且三相双向晶闸管的控制线路复杂。（4）加装风扇或采用水冷改善散热，但增加体积及成本。1.1.2 车用永磁发电机概述车用永磁发电机，以其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，提高了汽车电器系统的整体水平，促进我国汽车工业的技术进步。因此，具有高效率、高性价比和高稳定性的永磁发电机将具有较高的理论研究价值和广阔的应用推广

11、前景，一些发达的国家投入了大量资金来研制永磁发电机。1.1.2.11.1.2.1永磁发电机与硅整流发电机比较其具有的优点永磁发电机与硅整流发电机比较其具有的优点：（1）体积小、重量轻、比功率大、效率高、能耗小、工作可靠；（2）低速供电性能好；（3）环境适应性强；（4）无蓄电池也可发电，可延长蓄电池使用寿命。1.1.2.21.1.2.2目前研制的永磁发电机主要类型：目前研制的永磁发电机主要类型：1）根据永磁发电机的结构不同分为内转子外定子和内定子外转子式发电机；2）根据永磁体不同分为铁氧体、钕铁硼和稀土钴等永磁体发电机；3）根据输出电压不同分为单电压输出和多电压输出永磁发电机。1.1.2.31.

12、1.2.3 国内外车用永磁发电机的研究与发展现状国内外车用永磁发电机的研究与发展现状车用永磁式发电机目前在全世界范围内尚处于开发研究阶段，对该类发电机的设计和研究需要进行不断的摸索和探索。当前，国外一些发达国家投入大量的资金开发永磁式交流汽车发电机，并取得了积极成果，而且有少量豪华汽车上已试装了永磁发电机，但尚未形成产业。由于国外具有先进的制造技术，因此他们在永磁式汽车发电机的结构选择上，以制造工艺要求较严格的盘式结构为主。在所检索到的文献中，国外在永磁式车用发电机的研究开发方面，比较有代表性的主要有:德国briitscbeidstr stuttgart大学研制的(modern motorca

13、r)mechatronical generator和英国imperial collegeof scienceand technology和the turbo genset company联合研制的high power density aircooled automotive generator。英国imperial college of science and technology 提出一种盘式结构发电机，该发电机最大特点是可以很容易根据不同的容量等级适当地增加转子盘的个数，仅增加发电机的轴向长度，而不改变径向尺寸，类似火车加挂车厢一样。该发电机具体的性能指标见表1.1所示额定容量12kw55

14、kw100kw额定转速60000r/min定子外径230mm230mm230mm轴向全长110mm220mm310mm全部重量3kg9kg13kg效率80%左右表1.1 多盘式结构车用永磁发电机的性能指标日本公司新近开发研制出一款新型车用钕铁系永磁体发电机，利用磁通控制方式成功地实现了即能将发电机的输出电压保持恒定又达到了较高的发电效率，并且发电机还制作得十分小型化。这一控制方式的特征就在于利用了空气具有相当于铁2000倍的磁路电阻，由于在构成发电机的定子与磁通控制笼之间设置了空隙，从而通过增加减这一空隙来控制永磁体之磁力增减。永磁体通过回转而提高电压，在回转下也有电压下降的难点，但在高速回转

15、下通过扩大空隙则可控制电压增高从而维持恒定的电压，因而实现了高达90的发电效率。 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。九十年代中后期，国内外许多单位也开始了对大功率永磁发电机进行开发研究。到目前已有沈阳工业大学、合肥工业大学、芜湖电机厂、贵州机电学校、广西金宇公司以及芜湖职业技术学院等单位在研制或开发汽车用永磁发电机。尽管这些开发出的成果各具特色，但是不同程度上仍存在着一些问题，如发电机的转子磁路结构、恒压整流问题，特别是高速运行时发热量大，温升高，效率低等问题都有待进一步研究和完善。国内开发的车用永磁发电

16、机，比较有代表的是贵州机电学校、贵州省电子研究所和贵州大学科技技术事业公司开发的爪极式结构车用永磁发电机，其具体技术性能指标如表1.2所示。型号jfy133yjfy161zjfy222额定电压vun/14.200.5280.3额定电流ain/366526零电流转速/(r. min-1)0n1000零高工作转速/(r. min-1)mn10000额定工作转速/(r. min-1)nn35005000表1.2 爪极式结构车用永磁发电机的性能指标因为爪极式结构本身的特点，决定了开发的该种结构的车用发电机效率比较低，发电机的平均效率仅为45左右，即使在1800r/min左右时效率达到最大值也仅为626

17、5%,这个数值相对于现代其它场合的发电机来说是非常低的，不符合当今节能的要求，更体现不出永磁发电机高效节能的特点，需要进一步采取措施提高发电机的效率。表1.3列出了国内外相近规格发电机的技术性能数据。型号电压（v）容量（va）电流（a）额定转速（r/min）功率密度（w/kg）最高转速（r/min）jf11143502530008000jf13t145003630001008000jf182147504060001021000023acr（英国）1478055600016315000l7150-54（日本）14700505000175ki（德国）1477055180jf147505427501

18、7910000jfy133y1450036350010000jfy151(广西)1450036600010000表1.3 国内外车用发电机样机技术性能指标1.2 汽车电气系统升压问题概述1.2.1 汽车电气系统升压的原因与好处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，车用电器迅速增加。据行业人士认为，目前的豪华轿车使用 13kw 的功率，预计用电量未来几年内将以 300%的速率迅速增长，而到 2010 年高级轿车的使用功率将达到1020kw。据研究现有爪极式交流发电机若想提高其输出功率，将导致电机的体积增加和效率降低；14v 电气系统电压下若想

19、增加系统负载功率，将导致系统中电流增加，这就要求汽车电气系统使用截面积更大的电缆和导线，这将占用汽车内部更多宝贵空间，增加汽车的重量和成本并降低汽车的燃油经济性。为此，唯有走电压升级这一条路才能解决问题，当然汽车电压升级的好处也显而易见。图1.1 汽车用电功率增长示意图实施电源系统升压的具体好处有:（1）通过电压提升减少电流载量，从理论上讲，电压提高3倍，电流会减小65，可以减少线束的线径和促进现有电器装置的小型化，缩小体积减少重量；（2）可以将发动机驱动的附件（例如冷却风扇、冷却水泵、转向动力泵、空调压缩机等）从发动机中分离出来，集成一起由电动机直接驱动，从而进一步减少发动机零件和重量，便于

20、实现集成模块式生产方式；（3）促进发动机改革，发动机内部一些机构可将机械驱动改由电驱动，例如气门开启关闭直接由电动机和计算机联合控制，省略了凸轮轴等配气机构重要部件；（4）为实现汽车全面电控化提供条件，例如电动转向器、电控制动、电控悬挂等等。1.2.2 国内外关于汽车电气系统升压及多电压的研究概况如何提高汽车供电系统的电压，已成为一些国际论坛中的讨论热点。但电压全面升级又带来新的问题，就是要研制新型蓄电池和发电机，并且汽车上相应的电器设备和电子装置也应升级，这显然对于目前的车载电源系统和电器设备的生产和应用产生极大冲击，还有电压升级后带来的安全保险问题。mit/工业联盟的专家和学者经过较长时间

21、的研究并仔细考虑了多种因素后确定，最优的汽车电气系统电压应被设定为 42v。42v 是指汽车发电机工作时的电压，蓄电池电压是 36v。相关研究机构从 20 世纪 90 年代中期开始，陆续成立了一些国际性和区域性联合研究机构，专门研究汽车用 42v 电气系统问题。其中之一是以德国汽车制造商和零部件供应商为主的戴姆勒一奔驰与 sican 发起组织的车用电源论坛(forum bordnetz)，成员有奥迪、宝马、大众、保时捷等。另一个国际性组织是福特汽车公司与美国麻省理工学院(mit) 发起组织的 mit工业联盟，成员有通用、戴姆勒一奔驰、宝马、欧宝、雷诺、富豪、西门子、博世、摩托罗拉、德尔福、am

22、p 等国际的汽车制造商、零部件制造商、半导体器件制造商及自动化装置制造商。该组织于 1998 年 10 月中旬在美国底特律市举行了会议，研究有关交通运输的电能开发问题，并一致赞同研制 42v 汽车用蓄电池。为了推动这一新的汽车电气系统与相关技术的发展，美国汽车工程师协会(sae)还成立了双高电压(42v、14/42v) 车辆电气系统委员会。汽车使用多种电压有2个主要原因，即更高的燃料经济性要求和高能耗功能的涌现。这就要求汽车内的电能要以高压形式输送来降低电阻热损耗，这样就不必采用大截面积的既笨重又昂贵的铜导线。双电路供电系统的缺点还有，例如需要一个12v和一个36v蓄电池组，因而增加了车辆附加

23、承载，占用更大的空间及增加造价。而且尚待解决的问题不少，例如dc/dc变换器产生的电磁干扰；高电压瞬态现象及抑制控制方法；双电压电器系统在车辆运行时的功率流向及分配问题等等。42v汽车电源的解决方案有两种，一种是单一电压的42 v电源系统， 另一种是双电压的1442 v电源系统，两种电压分别供给不同负载，低电压电源供给小功率用电设备（例如点火、照明、门锁、仪表板等） ，高电压电源供给大功率用电设备（例如前大灯、加热器、空调、电控悬挂等） 。显然采用输出单一42v电压对零配件产业冲击比较大，但汽车结构简单；而采用1442 v双电压电源系统方案对零配件产业冲击比较小，过渡平缓，因此采用双电源方案更

24、有利于汽车产业的平稳发展，但汽车结构复杂。1442 v电源系统方案，根据发电机输出电压不同又可分为只输出单一42v电压再由dc/dc变换器得到14v电压方案和发电机输出42v和14v两种电压方案。发电机输出42v和14v两种电压方案，要求发电机的构造和控制比较复杂，但是不需要额外的dc/dc变换器。输出单一42v电压发电机的构造和控制可以比较简单，但是需要额外的dc/dc变换器将42v电压变换为14v电压。1442 v电源系统方案，根据蓄电池设置不同又可分为单电压蓄电池和双电压蓄电池。为此德尔福公司就14/42双电压电源系统设计了如图1.2四种方案。（a）单电压发电机和单电压蓄电池（b）双电压

25、发电机和单电压蓄电池（c）单电压发电机和双电压蓄电池（d）双电压发电机和双电压蓄电池图1.2 德尔福汽车公司推出1442 v电气系统的设计方案第第 2 2 章章 引言引言2.1 课题的背景和意义汽车的先进性，往往以一台汽车的电气装备程度来衡量 。汽车发电机是汽车电气系统中的最重要的部件之一，目前汽车电源系统采用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工作后继续供应全车电路所需用电并即时给蓄电池补充充电。现代轿车已普遍采用空调装置、电喷发动机、电控门窗、电动可调座椅等等，汽车越高级，用电量就越大。现在的中高级轿

26、车发电机功率普遍都达1kw以上，随着自动化舒适化的提高，用电量还要加大，自然也要消耗更多的发动机功率，但汽车的安装空间有限，不可能仅靠加大发动机功率和发电机体积来增加发电机功率，这使得研制出一种新型节能的车用发电机成为一种必然。经研究采用更节能高效的永磁发电机并增加一组42v高压输出，即14/42v双电压电源系统，14v供启动时的传统电器使用及对蓄电池充电，42v供大功率电器使用。采用这种方案可以保证在不升级蓄电池和部分用电器的前提下推行高压电气设备，当然这也是权宜之计，最终车载电源的全面升级是必然的，不过在目前情况下这种方案还是较为理想的。借此有助于我国汽车电源系统向全面升级平稳过渡，并最终

27、使人们逐步接受车载电源系统全面升级的观念。22.2 本课题的研究难点多种输出电压的控制问题多种输出电压的控制问题 ：车用发电机由于使用中的转速(通常要求在1000r/min10000r/min)和负载变化范围都很大，而且还与蓄电池并联工作。因此，对其输出端电压的稳定性有很高的要求。永磁发电机虽然不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难，这使永磁发电机的应用范围受到了限制。永磁发电机的整流恒压是面向主电路的控制，必然面临直接控制大电流的问题，这对电子元器件提出了更高的要求。还有如何同时控制输出的多电压，能量如何分配问题。如果设计或使用不当易使永磁体失磁如果设计或使用不当

28、易使永磁体失磁：永磁发电机在过高或过低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，甚至无法使用而既要研究开发适合于电机制造厂使用的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，保证永磁式发电机不失磁。磁路结构与设计计算磁路结构与设计计算：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，具体性能数据的离散性很大。车用永磁发电机磁路结构的选择，直接影响着发电机的电气性能、可靠性和成本等。此外永磁电机中漏磁

29、路十分复杂而且漏磁通占的比例较大，铁磁材料部分又比较容易饱和，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，必须建立新的设计概念，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。 2.3 本课题的研究设想2.3.1 本课题关于节能高效问题的研究设想1 1）提高电压）提高电压：实施升压，将发电机输出电压从14v升高到42v，从理论上讲，电压提高3倍，电流会减小65，减少因电流过大而带来的热散失，还可以将原机械传动换成电力传动，提高传动效率。2 2）采用永磁材料）采用永磁材料：目前车用发电机用的永磁材料主要有钕铁硼、铁氧体和稀土钴三种，发电机

30、采用永磁体励磁，不需电励磁绕组的电能消耗，仅此一项即可提高发电效率1015。转子的设计采用永磁转子，无需励磁电流即可提供旋转磁场，转子也没有电励磁转子碳刷与滑环之间的机械损耗，所以发电机效率又可提高 5以上。永磁发电机在怠速时要比电励磁式发电机的输出功率高 1 倍，因此能够解决车辆怠速用电量大的问题。我国的稀土资源丰富，稀土不稀，号称“稀土王国”。稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。21983 年日本住友特种金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼（ndfeb）永磁，称为第三代稀土永磁。由于钕铁硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，价格

31、又低于稀土钴永磁材料，在稀土矿中钕的含量是钐的十几倍，而且不含战略物质钴，因而引起了国内外磁学界和电机界的极大关注，纷纷投入大量人力物力进行研究开发。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如钐铁氮永磁、纳米复合稀土永磁等，希望能有新的更大的突破。23 3）发电机的传动装置的改进）发电机的传动装置的改进：我国目前多采用传统的铸铁皮带轮，重量重，平衡度差。且大多数工厂不对皮带轮校动平衡，影响电机性能。皮带轮采用多齿v型钢板旋压皮带轮，新结构为适应发电机高速运转，解决皮带轮包角问题，减少高速运转时皮带打滑或损坏。4 4）加强发电机的散热）加强发电机的散热：例如将发电机安装在发动机的上端，尽量远离发热区

32、；发电机转子的前后端都装上风扇叶，以增强冷却效果。这种风扇结构可对温升最高的定子线圈进行直接冷却，也可减轻电机噪声。加上端盖内侧风道及通风孔的最优化设计，可有效保证电机高速运转时的低温升。还有可尝试用水冷却方式来提高发电机的冷却效果。5 5） 其他：其他：为保证发电机的高可靠性，提高比功，发电机采用了全封闭超高速轴承。2.3.2 本课题关于多电压输出问题的研究设想为了避免使供电系统更加复杂，本课题采取发电机输出14v/42v两种电压，而蓄电池仍只采用传统的12v电源。12v蓄电池主要在启动时用于启动机、点火系统，发电机的14v供一些传统用电设备使用并及时给蓄电池补充充电，而42v供一些大功率用

33、电器使用。这其实就是发电机的输出电压的多样化问题，这是发电机未来面临的新问题。发电机的电压调节，由14v和42v两套电压调节装置实现整流稳压，为了简化控制线路及良好的控制效果，这两套电压调节装置是由单片机统一调配晶闸管控制的三相全控桥式整流电路。每一个电压采用一组独立的三相全控桥式整流稳压电路，可控硅的触发电路由单片机不同的i/o端口根据基准电路、采样检测电路、比较电路和保护电路来控制。2.4 本课题的研究方法和手段本课题围绕车用永磁发电机开发应用中存在的转速范围宽、稳压难度大；高速运行时损耗大，发热严重等开发难点问题展开工作。对三相永磁同步发电机绕组参数进行分析，得出永磁发电机的基本电路方程

34、，以及发电机的相电流对绕组自感和互感的影响；采用“场”、“路”结合的方法，对车用永磁发电机的磁路结构进行分析，得出车用永磁发电机的现代设计方法，并给出了具体的试验曲线；针对发电机高速时温升过高的问题，结合电磁场的分析，提出改善车用永磁发电机冷却条件的措施；针对发电机转速范围宽，稳压困难的特点，并结合未来汽车供电系统的发展趋势，设计出实现多电压供电的恒压整流控制线路。主要包括以下几个方面：2.4.1 围绕电机的基本参数 绕组电感的非线性问题，对三相永磁同步发电机的绕组参数进行分析从三相永磁同步发电机的物理模型出发，得出三相永磁同步发电机的基本电路方程式；对表面瓦片径向式的永磁同步发电机绕组的自感

35、、互感的非线性问题进行系统的分析，得出对饱和效应规律性的认识；分析了永磁体的轴线与绕组轴线相一致或反向时对绕组电感的影响和永磁磁动势与绕组磁动势相一致或反向时，对绕组电感的影响；分析了相邻相电流对饱和效应的影响，从而引起绕组自感和互感的变化。2.4.2 高性能车用永磁发电机的开发对目前车用永磁发电机的磁路结构进行分析比较，得出本论文发电机采用的磁路结构；针对车用发电机的运行场合，对车用永磁发电机的主要设计参数(额定转速、极对数以及气隙长度等)进行计算分析，综合比较，得出其确定方法，并给出最终结果；对本课题开发的车用永磁发电机进行电磁场分析，比较三种结构的空载气隙磁密波形，并针对本课题车用永磁发

36、电机的漏磁系数进行分析，给出其具体的计算方法和分布规律；结合径向表面式结构永磁发电机的特点，给出其具体的等效电路，并据此对永磁发电机的输出特性进行分析，得出最优的定子冲片结构；对发电机的转子进行开通风孔处理，改善了发电机的通风冷却条件，降低了发电机高速运行时的温升，并对开孔后对磁路的影响进行电磁场分析；对开发的车用永磁发电机样机进行测试，给出具体的样机试验结果；根据试验结果和设计数据，对样机进行优化改进，得出本课题车用永磁发电机的最终样机。2.4.3 结合未来汽车供电系统的发展趋势，设计并实现多电压供电的恒压整流控制系统对目前车用永磁发电机的稳压控制方法进行分析，设计并实现本课题发电机的稳压控

37、制线路；根据今后汽车的发展趋势，结合永磁发电机的运行特点和车用发电机的实际工作状况，给出汽车的多电压供电系统模型；对多电压供电系统的模型进行分析，设计切实可行的控制线路，并制作电路板，实现汽车内的多电压供电控制线路；对设计的控制线路进行实际调试，验证各部分控制线路的实际性能，并给出具体结果。2.4 本课题的预期结果通过研究，确定采用功率 1.5kw 永磁发电机并能保证发电机在1000r/min10000r/min 范围内输出 14v 和 42v 两种恒定直流电压，满足目前汽车大部分用电设备及增设的 42v 用电设备的使用需要。第第 3 3 章章 车用永磁发电机的设计车用永磁发电机的设计车用永磁

38、发电机的研制不同于其它发电机，要充分考虑车用发电机的运行环境和特点。不仅要提高发电机的电气性能，还应兼顾发电机在高速时的机械强度、振动噪声等诸多因数。车用发电机通常转速范围变化大，从而使得发电机的输出电压也在较大范围内波动，但对于供电系统来说，通常要求发电机的输出电压波动要小，这对永磁发电机而言尤为严重，更增加了开发车用永磁发电机的难度。在开发车用永磁发电机时既要提高低速运行时发电机的利用效率，又要降低高速运行时的输出电压和损耗，使发电机在整个转速范围内都得到较好的电气性能。该发电机和相同规格的励磁发电机相比，效率至少提高12，功率密度至少提高15。因为车用发电机的工作转速通常在1000100

39、00r/min之间，车用永磁发电机的磁场又不可调节，致使发电机的输出电压波动范围较大，如何在设计过程中尽量减小发电机高速运行时的输出电压，减轻电子稳压控制线路的负担，是值得注意的问题；另外同样是由于永磁发电机的磁场不可调节，使得永磁发电机在高速运行时，铁耗增大，发电机发热严重、温升过高、可靠性降低，这是开发永磁发电机另一个值得注意的问题。车用永磁发电机主要设计参数的确定车用发电机的工作转速范围宽，一台车用发电机在整个转速范围内，通常包括以下几个转速 :零电流转速零电流转速:三相交流发电机达到额定电压，但并不输出电流时的转速称为零0n电流转速。零电流转速通常约为1000r/min.发电机转速发电

40、机转速: 随着发电机转速的增加，便达到了内燃发动机的空载转速区，被ln标为发电机转速,它通常指发电机曲线图中的一个范围。该值通常为ln18003000r/min之间。额定电流转速额定电流转速:三相交流发电机输出额定电流时的转速。对于电励磁的车用发nn电 机 ，该值通常为6ooor/min。三相交流发电机额定电流应高于汽车内安装的所有耗电器总功率所要求的电流。最高转速最高转速:发电机能够工作的最大转速，称为发电机的最高转速。三相交流maxn发电机的最高转速受轴承的质量、炭刷和集电环(永磁式无此两项)以及风扇的限制。发电机在最高转速时能够输出的最大电流标为。maxi在进行发电机设计时，需要确定发电

41、机的额定工作转速。特别是对于永磁式车用发电机而言，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，必须从发电机在转个转速范围内的利用程度和效率以及最常工作转速区间来综合考虑。从发电机的利用程度和车中用电设备的需求来讲，发电机的额定转速选的越低越好，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，可以给蓄电池和车内用电设备供电，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，容量一定的发电机，额定转速低时，其体积和重量都

42、会增加，这不适合车用发电机的要求，因为车用发电机的安装空间有限，希望体积越小越好；更重要的是额定转速较低的发电机，在高速(如6000r/min以上)运行时，其性能便会很差。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，又要考虑到发电机的高速运行性能。由briitsebeidstr stutgart大学hans joachim, jurgen muler等人对城市内普通轿车的行驶速度和发电机转速进行了分析研究，并得出了如图3.1所示的车速曲线和所对应的发电机的转速曲线6。根据图3.1提供的数据可以看出，一辆普通轿车行驶时其发电机的转速

43、多在1800r/min以上，平均转速在2500r/min附近。图 3.1 某城市内的普通轿车的车速和其发电机的速度曲线综合以上分析本课题中车用永磁发电机的额定转速取为2500r/min，该转速值比国内其它车用永磁发电机的研发单位都低，充分提高了发电机的利用效率，发电机的零电流转速和最高转速按照此类车用发电机的要求选取，分别选为1000r/min和10000r/m。本课题研究的车用发电机主要性能指标如下：额定功率：p=1.5kw额定输出直流电压：u=14v/42v双电压电压波动范围：1v工作转速范围：1000r/min10000r/min冷却方式：自然冷却3.1 转子的设计3.1.1 车用永磁发

44、电机转子磁路结构选择车用永磁发电机的工作环境要求体积小、功率密度大、安全可靠，目前国内外开发的车用永磁发电机，转子磁路结构通常有爪极式和盘式两种，如图 3.23.3 所示。图 3.2 爪极式结构 图 3.3 盘式结构爪极式结构具有极数多、永磁体结构简单、磁性好；电枢反应对永磁体的去磁作用小等优点，但爪极结构复杂，制造困难、费时，而且爪极和法兰盘所占转子体积较大，爪极存在较大的脉动损耗，使得该结构的发电机功率密度较小，效率较低，反映不出采用永磁后高效节能的特点，而且随着现代车用发电机容量增大，必使爪极式发电机的体积过大，不适应现代汽车的发展。盘式结构的永磁发电机轴向尺寸短、体积小，具有较高的效率

45、和较大的功率密度，该结构在国内外开发的车用永磁发电机中所占比例较大，但盘式结构的电机制造工艺复杂，装配精度要求高。特别是无铁心电枢绕组的制造，关系到径向、切向以及轴向三个方向的严格定位。如图 3.4 所示，而且精度要求较高。这增加了发电机的制造、装配费用，提高了发电机成本。更重要的是盘式结构的永磁发电机其电气性能受到制造、装配精度影响较大，稍有误差，电机性能便会大大降低。 图 3.4 盘式永磁发电机的电枢绕组综上所述，本课题开发的车用发电机采用在永磁发电机中普遍使用的普通圆柱式结构。圆柱式结构的永磁电机在实际中应用最多，其生产、加工设备较普遍，制造工艺熟悉，可大大降低发电机制造成本，而且此结构

46、电机的设计计算准确度较高。对车用发电机而言，圆柱式永磁发电机的缺点缺点是：转子铁心的利用率低和冷却困难，针对这个问题，我们对该发电机特别考虑通风散热处理。在圆柱式结构中，考虑到切向式结构的漏磁较大，需要进行专门的隔磁处理，造成成本增加；而且经过隔磁处理后的转子，可靠性降低，不适应高速运转的车用发电机。因为车用发电机的容量较小，所需永磁体的用量较小，以一台 500w 发电机为例，永磁体用量仅为 100g 左右，因此径向结构的永磁体摆放体积受限制的缺点对车用永磁发电机而言，影响不大。而且径向式结构漏磁系数较小，一般 00, 0绕组磁动势与永磁磁动势作用方向一致，绕组磁路比单独ai永磁磁动势作用时更

47、饱和，绕组电感便更小一些；0, 时，绕组磁动势与永磁磁ai动势作用的方向相反，绕组磁路比单独永磁磁动势作用时不饱和一些，绕组的电感将有所增大。0, /2时，永磁磁动势作用的方向与绕组磁路轴线正交，仅有绕组磁动ai势作用时，绕组磁路一般较不饱和，所以绕组电感的值接近于其不饱和值。随着电流的增长，该基波分量的幅值也增加;绕组电流为零时，其幅值为零:绕组电流反向时，基波分量也反向。不计高次谐波分量的影响时，相绕组的自感可用下式表示：2coscos210aaaaaaaallll是绕组电流的函数，在一定电流范围内可用与电流成线性关系的表达式来表示：1aalaaaaaikl11 和也在一定程度上受的影响，

48、与成一定的函数关系，当= 0时 和0aal2aalaiaiai0aal的值达到最大，随着正向增大或负向增大时都稍有下降，近似地可以用的线性函2aalaiai数表示: aaaaaaaikll000 aaaaaaaikll2223.2.3 相邻相电流对相绕组自感的影晌在非线性的磁系统内，相邻相绕组电流的存在也影响本相绕组磁路的磁状态对自感的值产生影响。前面分析了相绕组电感在0时的情况，因此它受永磁磁动势和相绕组bici电流的影响，成为和的复杂函数，经分析和适当简化后得出了较为简明的表达式，ai和 不为零的情况下，将是、和四个变量的函数，下面对此分别进行讨论，biciaibici为使结论更具一般性。

49、在下面的讨论中，电机中各相的电流没有相互的制约关系，即、ai、三者的矢量和并不一定等于零。bici令的情况，产生b轴方向的磁动势，产生c轴方向的磁动势。时， 二bicibicibici者合成的磁动势恰与a相绕组的轴线相一致，0 时，二者合成磁动势的方向在a轴的bici反方向，其对磁路磁动势的影响相当于a相正向电流减小为，ai cbacbaaiiiiiii21240cos120cos0 时，二者合成磁动势的方向与a轴方向一致，如图3.14所示，它的作用应相当于abici相正向电流的增大，这与上式所表述的相一致。 图3.14 时相量图bicibici可见，这时a相绕组自感的表达式仍保持形式不变，只

50、是 0时的式中的电流bici要用来代替，改写为: aiaiaaaaaaaikll000aaaaaikl11aaaaaaaikll222在式中，是把和产生的a轴方向的磁动势与产生的磁动势等效看待，实际上biciai和产生的a轴磁动势，对a轴磁路状态的影响还是与a相绕组产生的磁动势有一定的差别，bici至少它产生的漏磁通分散在b相绕组和c相绕组的周围，与a相绕组的漏磁路径不完全一致。因此和产生产生的a轴磁动势，等效为产生的磁动势时应加上一个小于1的差别系数biciaik1，相应地式应改为:cbkaaiiii21令的情况，这时b和c相合成磁动势的方向与a轴正交，如图3.15所示。 从图bici中可以

51、看出，这种情况对a相绕组电感值的影响较小，但通过对试验结果的分析，得知对二次谐波分量的幅值有一定的影响。正交分量磁动势增大时， 二次谐波分量幅值()下降，2aal与正交分量的方向无关，在一定范围内可以用线性关系来表示。正交分量磁动势正比于，cbcbaiiiii23240sin120sin 图3.15 时相量图bici从而，a相电感的二次谐波分量幅值可以表示为: aaaaaaaaikikll2222和为任意值。上面分析了两种特殊的情况，即和 仅产生a轴同方向磁动势，bicibici和仅产生a轴正交方向磁动势的情况。在一般情况下，和既产生同方向 也产生交轴方bici向的磁动势。同方向的归并同一起，

52、用等效电流来考虑；正交方向的用另一个等效电aiai流来考虑，即 ai)240cos120cos(1cbaaiikii240sin120sincbaiiiaaaaaaaikll000aaaaaikl11aaaaaaaaikikll22222coscos210aaaaaaaallll运用同样方法，可以得出)120(2cos)120cos(210aabbbbbbllll)240(2cos)240cos(210aaccccccllllbaaabbbbikll000baabbikl11baabaabbikikll2222caaaaccikll000caaccikl11caacaaccikikll2222

53、)240cos120cos(1cbaaiikii240cos120coscbaiii3.2.4 相绕组间的互感以a相和b相之间的互感为例，不论相绕组是分布绕组还是集中绕组，a相和b相之间通过漏磁路和主磁路总有一定的祸合，由于这两相绕组的轴线在空间相差120度电角度，正的产生的磁链对b相绕组和的正方向来说是负的，所以相间的互感为负值，a, b相间互aibi感磁路的示意图如图3.15所示，它的轴线在ab轴的方向，滞后a轴30度电角度。在不饱和的情况下，或不计转子永磁体磁动势及定子绕组磁动势对磁路饱和度的影响时，a, b两相绕组间的互感为一负值的常量，与转子位置无关。设定子绕组电流为零，仅有转子永磁

54、磁动势时:当永磁磁动势轴线与ab轴线相一致或反向，即或时，ab轴线的150330磁路较为饱和，的绝对值最小。当永磁体磁极的轴线与ab轴线正交与。轴线一baabll致)，即及时，ab轴线方向的磁路最不饱和，的绝对值最大。可60240baabll见，和对相绕组自感系数的影响相似，永磁磁动势对磁路饱和度的影响，使相绕组间的互感随转角位置，以一个极距为周期，也就是主要引起一项二次谐波分量的变化，用式子表示为: ）30(2cos2ababoabbaiiii图3.16 相互磁路示意图绕组电流磁动势的影响，可以把定子电流空间相量分解成ab轴方向的分量和与ab轴正交方向的分量来考虑，分别用和来表示:abiab

55、i )(270cos150cos30cos23bacbaabiiiiii cbacbaabikiiikiii3213)(270sin150sin30sin的作用是:当二一()时，与永磁磁动势的方向相同，使ab轴线方向的abi30330abi磁路更饱和，因此互感绝对值减小； 时，的方向与永磁磁动势的方向相反，150abi起去磁作用，磁路的饱和度下降，互感的绝对值增大，与讨论绕组自感时相似，将abiabi引起互感系数随转角变化的基波分量，如图所示。用式子表示为:)30(2cos)30cos(210abababbaablllll产生磁动势的作用方向与ab轴正交，对的影响较小，与讨论绕组自感时也相似，

56、 abiablababababikll000abababikl11abababababikikll2422)90(2cos)90cos(210bcbcbcbcllll)210(2cos)210cos(210cacacacallllbcabbcbcikll000bcabbcikl11bcabbcbcbcikikll2422caabcacaikll000caabcabikl1caabcacacaikikll2422acbbccbbcikiiiiii32123)()( baccaaccaikiiiiii32123)()( 3.2.5 车用永磁发电机高速运行时输出特性分析及优化措施车用永磁发电机高速运

57、行时输出特性分析及优化措施车用永磁发电机的工作转速变化范围大，高速时转速可达到上万转，而永磁发电机制成后，磁场调节困难，致使发电机在高速运行时输出电压过高，这不符合汽车内蓄电池和其它用电设备的要求，尽管车用发电机最终的输出电压要通过专门的电子调节器进行控制，但在进行车用永磁发电机的本体设计时，尽量调节各设计参数，改善发电机本身的高速输出特性，减轻高速运行时电子线路进行恒压调节的负担，提高其控制精度，并节省控制线路的成本。3.2.5.1 径向结构车用永磁发电机等效磁路及参数表达式结合文献7对永磁电机等效磁路的分析，针对本课题采用的径向结构的永磁发电机，作进一步的分析，并考虑到负载时电枢反应的影响

58、，得出车用永磁发电机具体的等效磁路，如图3.17所示。图 3.17 车用永磁电机等效磁路图图中 转子磁轭的磁导；2j 一 转子轭与永磁体间附加气隙的磁导;1 一极间漏磁导； 气隙磁导； 定子齿磁导；1 i 定子磁轭的磁导；1 j 磁路总磁通；m 发电机的有效磁通； 漏磁通；fm永磁体总磁动势根据磁路的基尔霍夫定律，可得下列方程madffi1122)(11admmffffi)()(211111122求解可得：211121112222222222)(1 )(1 fjijjiadmmff21112121222222222)(1 )(1 fjijjadmff2111212111222222222222

59、)(1 )()(fjijjjiadmff根据定义，可求得漏磁系数)(1 )(1 211122222jjiadmadmffff空载时，fad=0,因此空载漏磁系数可简化为：)(1112220ji根据以上可知，漏磁系数为磁路饱和程度和电枢反应的函数，随电机运行状态的不同而变化。3.2.5.2车用永磁发电机的输出电压及降低措施车用永磁发电机与普通的永磁发电机一样，其空载励磁电动势e0和输出电压u可分别表示为 kfnkeap0044. 4)sincos(sincos11122222xririxieunnnaqnd式中 ed 额定负载时直轴内电动势kfnkenapd44. 4根据以上分析，可以看出，为了

60、降低发电机在高速时的输出电压u，必须在保证发电机不发生不可逆退磁的前提下，尽量加大高速时电枢反应引起的去磁磁通。这与通常其它场合的发电机正好相反，因为通常的发电机往往要求具有尽量小的固有电压调整率，因此需要尽可能的降低发电机负载时的电枢反应，而车用发电机的输出电压最终要整流成直流，对固有电压调整率不作要求。增大发电机的电枢反应，可以从以下两方面进行考虑。(1)为了提高电枢反应引起的去磁磁通，首先应在满足永磁体的抗去磁能力的前提下，尽量减少永磁体的磁化方向长度，这样同时降低了永磁体的用量，节省成本；其次是合理地增加电枢绕组的串联匝数和减小转子漏磁导以增强电枢反应对永磁体的去磁作用；(2)选择宽而