毕业设计（论文）-14V车用永磁发电机及其电压调节器的研制.doc

西南大学本科毕业论文（设计）目 录摘要1Abstract2文献综述31 引言72 永磁发电机的设计72.1 转子的设计72.1.1 永磁体的确定72.1.2 转子结构的设计112.2 定子的设计142.2.1 绕组部分数据的计算142.2.2 确定定子主要尺寸162.3 磁路和磁路参数及其阻抗的计算172.3.1 磁路和磁路参数的计算172.3.2 阻抗计算222.4 回复直线起始点和稳态短路电流计算242.4.1 电枢反应去磁作用的等值磁导242.4.2 计算252.4.3 稳态短路时的磁通252.4.4 稳态电路时的纵轴内电势252.4.5 稳态短路时的内角252.4.6 稳态短路电流252.4.7 稳态短路电流262.5 解磁铁工作图和验算262.5.1 设定坐标262.5.2 求回复直线262.5.3 空载煮磁通262.5.4 波形系数26352.5.5 空载内电势262.5.6 的计算262.5.7 确定负载时的内角272.5.8 确定负载时纵轴电枢反映磁势272.5.9 负载磁铁工作图272.5.10 计算额定负载时的纵轴内电势282.5.11 按额定数据计算283 永磁发电机电子稳压电路的设计283.1 永磁发电机特性分析283.2 目前永磁发电机电压的调节方法293.3 永磁发电机电压调节器的电路组成示意图303.3.1 基准电路和电路保护电路303.3.2 采样检测电路和比较电路313.3.3 触发电路313.4 发电机电压调节器电路及其工作过程313.4.1 电压调节器电路组成313.4.2 电压调节器电路的工作原理及其过程324 性能试验325 结论33参考文献34致谢3514V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：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：车用发电机；永磁发电机；电压调节器；整流稳压Design on PM Generator of 14 volt Used in VehicleZhao LiangCollege of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, ChinaAbstract: 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.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2030KW，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35A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。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=0.855. 相数：m=36. 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2.1.1 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.2-1 The backs curve Mag of the iron oxygen 图2-2 铝镍铁材料退磁曲线Fig.3-2 The 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2O00rmin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*106;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=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磁势系数 CF=1.15短路电流系数 ki=3Bm0=0.8Br=0.8（高斯）Hmh=0.65Hc=0.65（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。当时，外特性曲线为一直线，利用三角形法求磁铁的体积。Vm=108=108=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=7.56（厘米）取Dm=7.6厘米. 圆环形磁铁内径Dmi=DDm=0.67.6 =4.56厘米，取Dmi=4.6厘米. 圆环形磁铁长度Lm=mDm=0.47.6=3.04，取Lm=3厘米. 磁铁总截面积Sm=（D2m-D2mi）=（7.62-4.62）36.6厘米3 电机极对数 P=. 磁铁截面积（每对极） Sm=Sm=36.6=3.66厘米2. 磁铁实际体积 Vm=SmLm=36.63=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。 取厘米2.1.2 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。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 厘米3） 爪宽 厘米，取bc=1.57厘米4） 实际极弧系数 015） 爪长取厘米6） 初步估计所需爪根截面积取，=0.8Br，BCR=8500代入公式（8-41）=4.15厘米27） 初步估算爪根高度 =厘米8） 初步估算法兰盘的最大截面积取，高斯，按公式（8-42）3.85厘米29） 初步估算法兰盘的厚度按公式（8-43） 2.01 取2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 =23.9米/秒在磁铁外面加非磁性套筒取厚度，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 （12.54-7.6）-0.5=1.97厘米13) 爪根的实际截面积 1.971.57=3.09厘米214） 转子外径：按公式（8-40） DR=1.657.6=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 厘米15) 爪尖径向高度取厘米16) 爪极内侧斜角 32.3o17) 爪极轴向中心处的高度（图4-1） 厘米18) 核算hc0的极限值在图4-1中，O1点处的极距 =1.87 因bc，故点处相邻的异极爪子不会接触。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 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 4.6-20.8=3厘米22) 法兰盘计算截面积（每对极） =4.14厘米22.2 定子的设计2.2.1 绕组部分数据的计算1） 初步估计空载有效磁通 27111麦克思韦2） 初步估算空栽电势 伏3） 每相电枢绕组匝数取，按公式（8-66） =31.4匝 取32匝4） 每极每相槽数取分数槽绕组： 5） 总槽数 2mpq=2310726） 绕组节距采用双层短距迭绕组，每极槽数 绕组节距： yi=3 7） 绕组系数（基波） 因，b=1，c=1，d=5，故 8） 并联支路数： 取29） 每槽导体数 按公式（8-74） =10.67 取10） 初估导线截面积： 取j=5安/毫米2 =1.8毫米211） 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毫米，导线截面积2=1.832毫米212） 实际电流密度 =4.36安/毫米213） 电枢线负荷 =180.2安/厘米2.2.2 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 =3厘米3） 初步估计定子槽面积取0.36，按公式（8-77） 毫米2 =0.56厘米24） 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，高斯，按公式（8-80） = =0.337厘米6） 初步估算定子轭高取高斯，按公式（8-81） =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 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 根据公式（8-86） = =0.8762） 气隙轴向长度 3.16厘米3） 气隙磁通 按公式（8-83） 0.876=5.18Bb4） 卡特系数 齿距 0.55厘米 按公式（8-94） 1.155） 气隙磁势降 按公式（8-93） 0.1476） 定子齿部磁密 按公式（8-96） 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 1.6=1.47厘米8） 定子齿部磁势降 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 0.95厘米10） 定子轭部磁密 按公式（8-98） 0.98高斯11） 定子轭部长度 2.48厘米12） 定子轭部磁势降 13） 漏磁导两端的磁势 2安14） 极间漏磁导计算 （1）爪形极靴侧面之间的漏磁导 按公式（4-157），其中 1.87-1.57=0.3厘米 厘米 由图4-73查得 ）= =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） 麦克斯韦/安 （3）爪极漏磁导 24.6+21.3 卖克斯韦/安15） 爪极之间的漏磁通 麦克斯韦16） 爪极的计算磁密 按公式（8-111） 17） 爪极部分的磁势降 按公式（8-113） 安18） 法兰盘中的计算磁密 按公式（8-114） 高斯19） 法兰盘中的磁势降 按公式（8-116） 安20） 铁之间附加气隙的磁势降利用公式（8-118），其中取厘米 安21） 附加气隙的磁阻 安/麦克斯韦22） 磁铁漏磁导 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 厘米2 计算长度 厘米 得 =麦克斯韦/安 （2）漏磁导 厘米2 厘米 折算到磁铁两端的 麦克斯韦/安 （3）漏磁导0.946+0.534=1.48麦克斯韦/安23) 合成磁势降 安24) 漏磁通 25) 磁铁总磁通 麦克斯韦2.3.2 阻抗计算1) 绕组平均匝长 按工厂绕线模尺寸，绕组平均匝长厘米。2) C时每相绕组电阻 按公式（8-119） r 欧姆3) 时每相绕组电阻 r 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， 2.585 （2）端部漏磁导系数 （3）差漏磁导系数 （4） 5) 每相绕组漏抗 按公式（8-121） 欧姆6) 系数和 按公式（7-33）和（7-34） 0.81 0.567) 横轴电枢反应电抗 由后面第十节项7计算结果：0.1448) 横轴同步电抗 0.064+0.081=0.1452.4 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系数和可利用公式（7-1）和（7-29）计算 6.467 代入公式（6-16） 16.04麦克斯韦/安2.4.2 计算 安2.4.3 稳态短路时的磁通 麦克斯韦 麦克斯韦 麦克斯韦2.4.4 稳态电路时的纵轴内电势 =28.8伏2.4.5 稳态短路时的内角 按公式（6-25） 2.4.6 稳态短路电流利用公式（7-80） 48安2.4.7 稳态短路电流 2.5 解磁铁工作图和验算2.5.1 设定坐标 根据图8-19得磁曲线的横坐标为0.8=0.8厘米，纵坐标为=3.66厘米2.5.2 求回复直线 麦克斯韦/安2.5.3 空载煮磁通空载总磁通 空载漏磁通 空载有效磁通 2.5.4 波形系数按公式（7-2） 2.5.5 空载内电势 66.7伏2.5.6 的计算 当麦克斯韦时 高斯 安 安 2.5.7 确定负载时的内角 以，代入公式（8134） 2.5.8 确定负载时纵轴电枢反映磁势 安 初步假设额定负载时的麦克斯韦，麦克斯韦，处于0.6950.698之间，处于0.1840.16之间。取，。 安 安2.5.9 负载磁铁工作图 在磁铁工作图的K点水平线上取，过点作KM线的水平线，与OG线相交于点。过作水平线，与KM线交于点，点即为额定负载工作点。 麦克斯韦 麦克斯韦 麦克斯韦2.5.10 计算额定负载时的纵轴内电势 =135.7伏2.5.11 按额定数据计算 按公式（8-141） 按公式（8-139） 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： 一般交流发电机的端电压为： 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。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）可桥式半控整流稳压方案：可控硅桥式半控整流稳压电路，3个整流二极管V1V3组成整流半桥，3个可控硅V4V6 组成控制半桥，可控硅的触发电路由基准电路、采样检测电路、比较电路和保护电路等构成。（8）调节电枢绕组：发电机的电枢做成多个绕组对应一个负载，低速运行时多个绕组一起工作，高速时逐一断开绕组，可在一定程度调节输出电压。（9）调节有效磁场：永磁转子为多段结构，N极与S极沿圆周均布，各段之间可以相互转动，当发电机转速发生变化时，通过改变各段的相对位置，可以将部分磁场短路漏掉而成为无效磁场，从而实现了有效磁场的调节，也能达到调节电压的目的。但是，在负载变化时，调节机构不起作用，因此这种方法仅适用于定负载的情况。（10）混合励磁：混合励磁是采用永磁体励磁为主，附加电励磁为辅的励磁方法，通过调节辅助的电磁场来调节发电机的输出端电压，其实质是利用电励磁发电机的电压调节方法来调节永磁发电机的电压。可见，过种方法具有严重的困循性。在定转速的情况下，当负载的变化使输出电压波动时，通过辅助电磁场的调节来实现输出端电压的稳定是可行的。但由于主要的磁场不可调节，辅助部分的调节作用是很有限的，汽车发电机的工作转速一般在100010000rmin之间，这么太的转速范围，尤其是转速和负载都发生变化时，仅靠附加电磁场的调节来保证输出端电压的稳定是不可能的。（11）能耗分流稳压法4：典型的能耗分流稳压电路所示，发电机电枢绕组L输出的交流电经二极管V整流后向负载R供电和向蓄电池GB充电，当端电压u。达到设定值时，控制电路输出触发信号，可控硅导通将发电机输出两端短路，使过剩的电能耗掉，以免烧坏用电器或过充蓄电池。能耗稳压法只能用于小功率的发电机，大功率的发电机无法承受稳压能耗，故不能使用。3.3 永磁发电机电压调节器的电路组成示意图 永磁发电机电压调节器的电路总图如图3-1所示：图3-1 电压调节器电路工作简图在整个电压调节电路中拥有基准电路、采样检测电路、比较电路、触发电路和短路保护电路组成。3.3.1 基准电路和电路保护电路电压调节器的基准电压是一个电压输出电源，它的作用是提供一个稳定的输出电压输入到比较电路用来和采样检测电路中的检测电压进行比较。当电路中突然出现短路，导致电路中的电流急剧增大，这时将会对电路中的各种电子元件进行损坏。这时短路保护电路将会发生作用，保护电路中的各种电子元件。3.3.2 采样检测电路和比较电路采样检测电路用来检测发电机输出电压值，并将这个检测值迅速的传到比较电路中。比较电路的作用是比较比较基准电压和采样检测电路中的检测信号进行比较，并将比较结果作为触发电路的开关信号。3.3.3 触发电路工作时发电机输出的交流电经过桥式半控整流电路整流稳压后向蓄电池GB和向负载RL供电。当端电压U0达到设定值（12V系列为U0=14V时）经采样检测电路采集与基准电压比较后，切断可控硅触发信号，可控硅截止，发电机不输出，当端电压U0低于设定值时，控制电路输出触发信号，可控硅导通，发电机对外输出，向负载和蓄电池供电，如此周而复始，即可实现在很宽的转速和负载变化范围内高稳定的电压输出。3.4 发电机电压调节器电路及其工作过程3.4.1 电压调节器电路组成 电压调节器的整体电路如图3-2所示：其中电路中拥有D1、D2、D3、D4、D5、D6六个二极管和V1、V2、V3三个晶闸管。其中D1、D2、D3、D4、D5、D6六个二极管组成三相桥式整流电路，D2、D4、D6三个二极管和V1、V2、V3三个晶闸管组成三相半控桥式整流电路。电路中加10V稳压管进行稳压用来提供集成稳压电源的输入电源电路中的基准电压为单片机W7800系列集成稳压电源提供的5V稳定电压。比较电路为一个电压比较器，其中电压比较器的工作电压由W7815系列和W7915系列组成的正负电压同时输出的集成稳压电源提供。触发电路由一个集成运算电路放大器组成。电阻R1和R2组成电压检测电路。二极管Dz1和Dz2组成反接保护电路 。图3-2 电压调节器电路总图Fig.3-2 The circuit diagram of single-phase，semi-controlled the steady press type electronics machine其中电路图中C0=1F ， C1=0.33F ， C2=0.33F ，C3=1F ， R1=4.5k R2=2.5k 3.4.2 电压调节器电路的工作原理及其过程三只共阳极二极管D2、D4、D6与三只共阴极可控硅VT1、VT2、VT3组成三相可控硅桥式整流电路，另外由D1、D2、D3、D4、D5、D6组成三相全波整流电路，通过控制电路为可控硅提供触发电压。当发电机输出电压较低（低于额定电压14V）时，信号检测部分检测到的信号电压传到电压比较器与基准电压的输出信号进行比较。通过电压比较器的比较将信号传到集成运算放大器。这是集成运算放大器正向导通，可控硅的控制极获得正向触发电压，可控硅开始导通，提高发电机输出电压。当发电机输出电压较高，超过设定电压14V 时，稳压器控制电路就使可控硅失去正向触发电压而截至，从而使输出电压下降，输出电压下降到低于设定值14V时，可控硅被重新触发导通，使发电机输出电压回升。如此反复，使发电机输出电压在规定的范围内波动。4 性能试验车用铝镍钴永磁直流发电机为l0极爪极式单相永磁同步发电机，发电机额定电压值14V、额定功率1500W、额定转速3000rmin，选用铝镍钴5-2。其Br=12500高斯 Hc= 650奥斯特，BHmax=6108高奥。 在负载功率分别为600W、900W、1200W下，对研制的发电机从低速到高速进行性能试验，其结果如表1。从表1中看出，发电机时速由1000rmin变化到3000rmin时，负载功率由600w变化到1200w时，输出电压稳定在12.5V14.5V之间，该性能指标达到设计要求。 表1 发电机输出电压试验 Tab.1 The experiment of generator outputs the electric voltage 样机1000r/min时2000r/min时3000r/min时编号600w900w1200w600w900w1200w600w900w1200w1234512.712.512.412.812.612.813.013.113.313.213.613.813.513.413.514.014.113.914.014.114.214.014.114.213.814.214.314.114.214.113.914.414.214.314.114.114.314.214.314.114.114.314.514.214.1(1)发电机转速由1 000rmin提高到3000rmin时，负载功率由600w到1200w时，其输出电压在12.5V14.5V之间，稳定性能良好。(2)三相半控桥式整流稳压器，能够保证车用永磁发电机装置在汽车转速和负荷不断变化的情况下输出电压保持稳定。(3)铝镍钴永磁转子故障率低、性能可靠，使用寿命长。5 结论永磁发电机的研制解决了以往汽车在怠速工况下和大规模使用车用电器的情况下输出功率不足的缺点。而且永磁发电机无滑环、无碳刷、定转子、气隙大、结构紧凑、体积较小，特别适合于在恶劣的工作环境下工作。发电机的故障率也较先前有了较大的改观。而发电机电压调节器的研制又解决了用磁发电机输出电压不稳的缺点，保证了用磁发电机的正常工作，促进了永磁发电机在汽车上的广泛推广。车用永磁发电机符合了车用发电机的发展趋势，拥有着广阔的市场前景。参考文献1 陈竣峰永磁电机M机械工业出版杜，1983.2 韩加蓬.龚长青 汽车用永磁发电机电子稳压器的研究. 机械工业出版社，2003.3 贵州大科达技术实业公司 贵州省科技“八五”攻关计划项目“车用永磁发电机中试”R，1996.4 刘明丹. 永磁发电机的电子稳压及可调研究.四川大学学报，2003.5 秦曾煌. 电工学电子技术M . 高等教育出版社，1999.6 3 Marian P KazmierkowsiImproved Direct Torque and Flux Vector Control of PWM InverterFed Induction Motor DrivesJIEEE Transactions on industrial electronics，vol 42，No4，August 1995:36-48.7 韩加蓬 崔庆志. 永磁发电机用永磁材料的选择 山东理工大学学报（自然科学版），2003 8 黄延允汽车永磁发电机综述微特电机J200049 王金平.周小燕.唐任远.具有自动调节能力的新型车用永磁发电机J 沈阳工业大学学报，2004.2.10 徐国昌. 国产车用发电机技术发展综述J 汽车.拖拉机 1