西南大學本科畢業論文（設計） 目 錄 摘要 . 1 Abstract . 2 文獻綜述 . 3 1 引言 . 7 2 永磁發電機的設計 . 7 2.1 轉子的設計 . 7 2.1.1 永 磁體的確定 . 7 2.1.2 轉子結構的設計 . 11 2.2 定子的設計 . 14 2.2.1 繞組部分數據的計算 . 14 2.2.2 確定定子主要尺寸 . 16 2.3 磁路和磁路參數及其阻抗的計算 . 17 2.3.1 磁路和磁路參數的計算 . 17 2.3.2 阻抗計算 . 22 2.4 回復直線起始點和穩態短路電流計算 . 24 2.4.1 電樞反應去磁作用的等值磁導 . 24 2.4.2 scF計算 . 25 2.4.3 穩態短路時的磁通 . 25 2.4.4 穩態電路時的縱軸內電勢 . 25 2.4.5 穩態短路時的內角 . 25 2.4.6 穩態短路電流 . 25 2.4.7 穩態短路電流 . 26 2.5 解磁鐵工作圖和驗算 . 26 2.5.1 設定坐標 . 26 2.5.2 求回復直線 . 26 2.5.3 空載煮磁通 . 26 2.5.4 波形系數 . 26西南大學本科畢業論文（設計） 2.5.5 空載內電勢 . 26 2.5.6 aqx的計算 . 26 2.5.7 確定負載時的內角n . 27 2.5.8 確定負載時縱軸電樞反映磁勢 . 27 2.5.9 負載磁鐵工作圖 . 27 2.5.10 計算額定負載時的縱軸內電勢 . 28 2.5.11 按額定數據計算dE . 28 3 永磁發電機電子穩壓電路的設計 . 28 3.1 永磁發電機特性分析 . 28 3.2 目前永磁發電機電壓的調節方法 . 29 3.3 永磁發電機電壓調節器的電路組成示意圖 . 30 3.3.1 基準電路和電路保護電路 . 30 3.3.2 采樣檢測電路和比較電路 . 31 3.3.3 觸發電路 . 31 3.4 發電機電壓調節器電路及其工作過程 . 31 3.4.1 電壓調節器電路組成 . 31 3.4.2 電壓調節器電路的工作原理及其過程 . 32 4 性能試驗 . 32 5 結論 . 33 參考文獻 . 34 致謝 . 35 西南大學本科畢業論文（設計） 1 14V 車用永磁發電機 及其 電壓調節器的研制 趙 亮 西南大學工程技術學院，重慶 400715 摘要 ： 本文介紹了車用發電機的發展現狀和發展趨勢。闡述了永磁發電機對比硅整流勵磁發電機所具有的優勢。 同時分析了目前制約車用永磁發電機應用的幾個主要因素。 文中 主要內容包含了永磁發電機的設計（具體為永磁材料的選用、轉子的結構設計、定子的設計 等）和電壓調節器的的設計。采用 橋式半控整流 電路來控制永磁發電機的輸出電壓，并對其技術可行性以及電壓調節電路的工作過程進行了分析，結合車輛對發電機的性能要求 設計出一種經濟實用、 工作 穩定的車用永磁發電機 。 關鍵詞 ：車用發電機；永磁發電機；電壓調節器；整流穩壓 西南大學本科畢業論文（設計） 2 Design on PM Generator of 14 volt Used in Vehicle Zhao Liang College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, China Abstract: 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. 西南大學本科畢業論文（設計） 3 文獻綜述 隨著我國改革開放的深入，國民經濟的發展，汽車工業作為我國主要的產業之一得到也迅猛的發展，同時也帶動了汽車電機行業的大發展。發 電機作為汽車及其它車輛的重要配件 其發展經歷了 從直流發電機到交流有刷勵磁發電機到交流無刷勵磁發電機的更新換代的漫長過程。 在汽車技術高度發展的今天，汽車電器的容量大幅度增長。 20世紀 80年代以來，隨著人們對汽車乘坐舒適性、燃油經濟性、排放環保性要求的日益提高，最簡單的辦法是采用電子控制裝置及其執行機構，而這些裝置和機構都是用電設備，也就是說要 求的電功率越來越大。由于電能具有傳輸簡便、轉換容易、控制靈活等一系列優點，采用電磁或電動執行 器取代液壓傳動和氣壓傳動執行器已成為一種趨勢。 目前汽車電源廣泛采用雙電源，即蓄電池和發電機組成的并聯供電電路。蓄電池主要在啟動時及時供應極大電流以保證電起動機在短時間內啟動發動機，而發電機是在發動機正常使用后繼續供應全車電路所需用電并即時給蓄電池補充充電。汽車發電機 是將 發動機的 機械能轉換為電能 ，因而需要消耗發動機的功率。現代汽車由于用電器的增加，最大的用電功率已達到 20 30KW，這就要求汽車電氣提供更高的電能 。這使得研制出一種新型的車用發電機，滿足汽車電氣的需要成了一種必然。 1.國內外研制發展狀況及其發展趨勢 汽車工業是國民經濟發展的支柱產業， 電機是汽車電氣系統的關鍵部件，離開了電機，汽車的先進性即無從談起，隨著汽車電氣化和自動化程度的不斷提高，不僅汽車上的電機數量在增加，而且對電機的性能也提出了更高的要求。據統計， 2006年我國生產汽車 680萬輛，社會保有量 2000萬輛，考慮 10的維修更換和其它車型，依此計算每年對車用發電機的需求量為 700多萬臺 10。 汽車發電機的發展經歷了從直流發電機到交流有刷勵磁發電機 到交流無刷勵磁發電機的更新換代。而在所有的電機中、除車用發電機外，幾乎所有品種的電機均有被永磁電機取代的趨勢，一些發達的國家投入了大量資金來研制永磁發電機。車用永磁發電機，以期先進的結構和優異的性能，決定了該產品的生命力和市場競爭力，必將取代硅整流發電機，提高汽車電氣系統的整體水平，促進汽車工業的技術進步。目前國外一些汽車工業比較發達國家因其研究時間較早，國外發電機調節器已實現集成電路化，調節精度高，穩定轉速特性及溫度西南大學本科畢業論文（設計） 4 補償特性好，體積小，可靠性高。我國因為汽車工業發展比較晚，目前國產調壓器的可靠性比較差，嚴 重影響及普及。其中主要的差距有：（ 1）產品可靠性差，國產車用發電機的考核壽命只有 3000小時，在國產汽車零部件中，發電機的故障率最高，達百分之十四。（ 2）產品結構不合理，通用性差，系列化程度低。在國外，車用發電機作為一種標準化部件，已實現系列化生產，而國內車用發電機的開發都要根據不同發動機廠不同型號發動機的技術要求和尺寸進行。發電機型號十分復雜，規格五花八門，很難形成系列化。（ 3）生產集中度低，不能形成經濟批量。但我國有得天獨厚的各種磁性材料資源，對促進永磁發電機的發展提供了廣闊的取材途徑，我國在永磁發電機 的研制方面有著廣闊的發展前景。 2.永磁發電機與硅整流發電機比較其具有的優 點 1） 結構簡 化，工作可靠。永磁發電機轉子由于沒有了勵磁繞組，也就沒有了普通發電機存在的勵磁電路、斷路、絕緣損壞等一些故障的發生，同時結構也更加簡單、緊湊， 大大提高了工作可靠性和使用壽命。 2） 效率高，能耗小。永磁發電機由于取消了勵磁繞組，因而沒有勵磁損耗和雜散損耗，此外，由于外轉子表面光滑，風阻小，風摩耗也小，因此 ，永磁發電機比同功率的普通發電機 可提高效率 1O 15 穩壓精度高，能防止過充電，即能減少發動機機械能的消耗，結果 是節省燃油 3。 3） 比功率大。在發電機電磁參數相同的情況下，永磁發電機發熱少，輸出功率大，永磁轉子比電磁轉子重量輕。可提高電功率 15 2O ， 4） 低速供電性能好。在電磁參數相同的情況下，硅整流發電機“零電流”時，永磁發電機可以對外輸出 3 5A節省下來的“勵磁電流”，大大改善了低速供電性能。 5） 延長蓄電池使用壽命。首先，永磁發電機具有很好的低速充電性能，可使蓄電池經常處于充足電狀態，能有效防止蓄電池的極板硫化。第二，穩壓精度高，不欠充，也不會過充，在充電過程中始終保持微量出氣狀態，不會產生大量的 氣泡這樣既不損耗大量的電解液和污染蓄電池表面，同時也有效地避免了因劇烈出氣而造成的活性物質脫落，從而提高了蓄電池壽命。第三，可控硅橋式半控整流電路實質上是一個斬波式的開關穩壓器，工作時，斬掉 (截止 ) 部分波，導通部分波，截止瞬間，即停止充電，蓄電池極化迅速消除，若有負載，則蓄電池還要放電，相當于反充，極化消除效果更好，為導通瞬間充電提供了非常好的條件，在導通瞬間、高幅值的脈沖充電電西南大學本科畢業論文（設計） 5 流，可使極板上的活性物質進行充分的電化學反應，有較強的去硫化和激活作用，固而蓄電池的容量可增加。有些因容量不足而報廢的蓄電池， 通過使用永磁發電機，容量顯著增加，叉可以繼續使用，也相當于提高了蓄電池的壽命。 6） 具有短路和極性錯接保護功能。當發電機輸出端短路或蓄電池極性錯接時，相應的保護電路采 集到故障信息，與基準信號進行比較，比較電路得出結果后，立即切斷觸發信號，可控硅截止，實現對發電機及其相偳線路的保護。 7） 輸出電壓不穩定，電壓波動較大。永磁發電機的輸出電壓隨著汽車的轉速發生變化而變化，而目前廣泛應用的硅整流發電機是通過礪磁電流改變發電機勵磁磁場的方法來調節電壓，這種方法具有技術成熟、控制穩定的特點。 3.本課題的設計難點 現在汽車上使用電勵磁的硅整流發電機是通過調節勵磁電流來控制發電機的輸出電壓，故而很容易實現以控制小電流達到控制大電流的目的，而且這方面的技術比較成熟在工作時輸出電壓穩定。但通過這種方法調節的發電機仍存在著效率不高且怠速時輸出特征只是滿負荷時輸出的 1/4、低速發電性不好、可靠性差、工藝復雜、壽命短、故障率高、特別是在多個電器同時使用的情況下因所需功率較大而無法實現等缺點。永磁發電機具有結構簡單、功率大等特點正好禰補了硅整流的發電機的不足，使永磁發電機能過在不同轉速下穩定的輸 出電壓，滿足工作的需要。但在永磁發 電機的設計中仍存在著兩個難點。第一 如果設計或使用不當，永磁發電機在過高的溫度時，在沖擊電流產生的電樞反應作用下，或在劇烈的機械振動時有可能產生不可逆退磁（或叫失磁）。使電機性能降低，甚至無法使用。因此，即要研究檢查永磁材料熱穩定性的方法和裝置，又要分析各種不同結構形 式的抗去磁能力，以使在設計和制造時，保證永磁發電機不失磁。第二 發電機制成后不需要外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調節、控制其磁場為困難，這些使永磁發電機的應用范圍受到限制。但是，隨著電力電子器件技術的迅猛發展，用磁發電機在應用中可以不必進行 磁場而進行電機輸出控制，但在目前電壓輸出調節電路仍然存在一定困難，尚沒有獨立的電子器件能獨立完成因此設計時需要將永磁發電機結構、電力電子器件和控制電路結合起來，是發電機電壓穩定輸出。 4.永磁發電機電壓調節器的簡介 永久磁鐵充磁后的磁特性是不可調的，發電機負載運行時，由于電樞反應的作西南大學本科畢業論文（設計） 6 用和電阻壓降的影響，輸出電壓隨負載變化。因此，永久交流發電機的電壓穩定性較差。如何在變轉速變負載工況下保持輸出電壓的穩定，是車用永磁發電機研制的關鍵技術。為了達到一定的穩壓要求，需有專門措施。但是，穩壓要求往往與電機的經濟性，運 行特性和結構簡單性相矛盾，目前還未完善。永磁發電機其磁場是固定的，輸出電壓將隨轉速和負載的變化而變化，由于交流發電機隨轉速升高，阻抗也增大，而產生限流作用，在負載不變的情況下，可以保持其輸出電壓不致過高，在要求不高的場合可湊合使用 但實際上，即使負載不變。轉速改變時，輸出電壓還是變化的，存在低速燈光暗淡、高速易燒燈泡的缺點。 電壓調節器最簡單設計的辦法是適當選擇發電機的電磁參數，外特性曲線設計得比較平坦，使負載運行時電壓降不超過允許值。設計時可由電和磁兩個方面著手，前者包括減小電樞繞組的電阻和漏抗，減小電樞 反應磁勢。后者包括選用可逆導磁率小的永磁材料，增加磁鐵長度，提高氣隙磁密，選擇較大的漏磁系數或選用高矯頑力的永磁材料。為了減小繞組電阻，必須增加導線截面積和槽面積，引起電機有效材料和結構材料的增加。由于電阻對外特性的影響不大，因此不宜過分地增大導線的截面積。為了減小繞組的漏抗，可以適當選擇寬而淺的槽形，或增加氣隙磁通，以減少電樞繞組的匝數，同時降低電樞反應磁勢。但這會使電機的重量、外形尺寸和磁鐵的體積增大，并使短路電流增加。增加磁系統的漏磁導可以降低縱軸電樞反應磁勢對磁鐵的去磁作用，但也會降低空載有效磁通， 所以漏磁系數也不宜過大。 車輛用永磁發電機采用永磁體勵磁，省去了碳刷、滑環裝置及電勵磁繞組，具有結構簡單、維護方便、效率高、壽命長等優點。但由于永磁發電機的動態特性比電勵磁發電機的動態特性復雜，配套使用電子穩壓器后更難以描述發電機系統的動態特性。因此，根據設計參數對電子穩壓器的動態過程進行數字仿真就顯得十分必要。在樣機試制出之前預知發電機的動態性能，可為該發電機的優化設計方案提供依據。 5.本課題的 設計思路 永磁發電機的結構部分考慮到車用發電機的性能參數和工作環境，比較 圓柱形無極靴星形轉子結構和爪極 式結構的特點和適用條件， 選擇爪極式作為此次發電機設計的轉子結構。發電機電壓調節器的設計方案選用 可橋式半控整流穩壓方案。調節器的電路中 3個整流二極管組成整流半橋， 3個可控硅組成控制半橋。可控硅的觸發電路基準電路、采樣檢測電路、比較電路和保護電路等構成。 西南大學本科畢業論文（設計） 7 1 引言 隨著汽車工業的不斷發展，汽車結構和性能不斷完善提高，人們對汽車安全性、舒適性、和智能化的要求，使得汽車上裝配的電器越來越多，隨之而來的是汽車電能消耗成倍的增加，給汽車電源和供電系統帶來了極大的壓力。目前汽車發電機主要是硅整流發電機，該發電機由電勵磁 繞組產生磁場，通過勵磁繞組的電能只有很少一部分轉換為用于發電的磁能，絕大部分電能由于勵磁繞組的發熱而消耗掉，而且轉子的勵磁繞組易燒毀、斷線、消耗電能多，必須由蓄電磁提供勵磁電流才能發電，這樣勢必增加了汽車的成本。一種硅整流發電機帶有碳刷滑環結構，滑換直徑大，線速度高，碳刷容易磨損，壽命短，故障率高；另一種硅整流發電機是無刷發電機，該機增加了磁場氣隙，漏磁大，材料利用率低，成本高。因此有必要研究無電勵磁繞組、無碳刷滑環結構、轉子為永磁材料的發電機以及一種相對應的集穩壓、整流為一體的發電機電壓調節器。 2 永 磁發電機的設計 設計爪極式永磁同步發電機，根據目前車用發電機的實際功率和工作電壓設計發發電機的技術指標。技術指標為： 1. 額定容量： P=1.5 千瓦 2. 額定相電壓： U=14 伏 3. 額定相電流： I=36 安 4. 功率因數： cos =0.85 5. 相數： m=3 6. 額定轉速： n=3000 轉 /分 7. 頻率： f=500Hz 冷卻方式：自然冷卻 2.1 轉子的設計 2.1.1 永磁體的確定 1） 永磁材料的選擇 永磁發電機永磁材料 的選擇，應該結合車輛對發電機的性能要求，遵循以下原西南大學本科畢業論文（設計） 8 則進行選擇。 (1)永磁材料能夠產生足夠大的氣隙磁場達到發電機性能指 標的要求。(2)在規定的環境條件、工作溫度和使用條件下保證磁性能穩定； (3)經濟性好。 常用的永磁材料主要有三種，鋁鎳鈷永磁材料、鐵氧體永磁材料和稀土永磁材料。這些材料的性能比較復雜，需要用多項參數來表示，主要有 :(1)退磁曲線：這一曲線表征了永磁材料性能的兩個重要參數剩余磁感應強度 Br 和磁感應強度矯頑力 HC以及另一參數最大磁能積 (BH)max.從永磁材料的應用角度來分析，剩余磁感應強度 Br越大越好；最大磁能積越大，所用的永磁材料越省；矯頑力 HC越高，永磁體抗外磁場干擾的能力越強，在磁化方向的厚度就可以越小 。 (2)回復線：回復線與退磁曲線兩者相重合時，可以使永磁發電機的磁性能在運行過程中保持穩定。 (3)內稟退磁曲線： 內稟退磁曲線的形狀矩形度越好，永磁材料的磁 性能越穩定，而且它與退磁曲線差別越大，永磁材料的抗去磁能力越強。 (4)穩定性：主要是熱穩定性、磁穩定性、化學穩定性和時間穩定性。永磁材料的磁性能受溫度、外磁場、化學因素和使用時間長短的影響越小越好。 由于車用發電機的轉速變化范圍較大，負載為電阻性，因此這種發電機性能的好壞主要可以從兩個方面體現出來，一是發電機低速輸出電壓，另一個是發電機高速時的輸出電壓調節 性能。 永磁材料對發電機低速性能的影響 影響發電機低速性能的一個主要方面就是永磁材料的磁性能，其中最主要的磁性能參數是剩余磁感應強度 Br和最大磁能積 (BH)max鐵氧體永磁材料的剩余磁感應強度 Br和最大磁能積都不高 (如圖 2-1的退磁曲線 )7， 圖 2-1 鐵氧體材料退磁曲線 Fig.2-1 The backs curve Mag of the iron oxygen 西南大學本科畢業論文（設計） 9 圖 2-2 鋁鎳鐵材料退磁曲線 Fig.3-2 The backs curve of PM material of LvNieGu 要提高發電機性能需要提高磁通的截面積，使發電機體積增大；鋁鎳鐵材料的Br和最大磁能積都很高，遠大于鐵氧體 (如圖 2-2 的退磁曲線 )，對于設計同樣性能指標的發電機，可以使發電機的體積較小因此考慮發電機的低速性能，選擇鋁鎳鐵材料是比較好的，可以使發電機的低速性能得到較大完善，也可以在發電機定子和繞組不變的情況下使發電機輸出功率得到極大提高。如將用 Y30BH 鐵氧體永磁材料設計的 150W 皮帶輪式永磁發電機的轉子換成鋁鎳鈷永磁材料，對發電機性能進行比較，從發電機轉速為 2O00r min 時的數據可以看出 ，采用鋁鎳鈷材料的發電機，低速輸出電壓更高。 本次設計的車用發電機 永磁材料選用鋁鎳鈷 5-2（ AlNiCo5-2）。它 是一種高磁能高矯頑力合金，這類磁鋼是以鐵鎳鋁為基礎的采用澆鑄法制造的合金。 基本參數為剩余磁感應 Br=12500（高斯）；矯頑力 Hc=650（奧斯特）；磁能積（ BH） =6.0*106；密度為 7.4克 /厘米 3；硬度 Rc=50 。 它也是目前永磁 電機中用得最多、最廣的一類磁鋼 1。 初步選擇各系數 取極弧系數 =0.80，均勻氣隙，按公式得 Kad=2sin4sin =21808.0s in4)1808.0s in (14.38.000 =0.81 縱向折算系數 kad=0.81 波形系數 ka=1.11 漏磁系數 0=1.35 西南大學本科畢業論文（設計） 10 磁勢系數 CF=1.15 短路電流系數 ki=3 Bm0=0.8Br=0.8 1000012500 （高斯） Hmh=0.65Hc=0.65 5.422650 （奧斯特） 2） 永 磁 體的 結構參數 首先假設永磁發電機的負載為純電感性的，縱軸電樞反應分量對磁鐵的去磁作用最大。當 0cos 時，外特性曲線為一直線，利用三角形法求磁鐵的體積。 Vm=154.3)( 2000c o s iimhmaadFn k kHfBk kCP 108 =5.4221000050011.154.3 81.015.135.11500 1332 108 =102.5厘米 3 當 cos =0.85時，由圖 8-2查得 Vm=0.125Vm 故 Vm=102.5 （ 1-0.125） =87厘米 3 圓環形磁鐵外徑 取 D=0.6。 M=0.4 代入公式（ 8-36） Dm=3 2 )1(4Dmv =3 2 )6.01(4.014.3 874 =7.56（厘米） 取 Dm=7.6厘米 . 圓環形磁鐵內徑 西南大學本科畢業論文（設計） 11 Dmi= D Dm=0.6 7.6 =4.56厘米，取 Dmi=4.6厘米 . 圓環形磁鐵長度 Lm= mDm=0.4 7.6=3.04，取 Lm=3 厘米 . 磁鐵總截面積 Sm=4（ D2m-D2mi） =4（ 7.62-4.62） 36.6厘米 3 電機極對數 P=nf60= 10300050060 . 磁鐵截面積（每對極） Sm=p1 Sm=101 36.6=3.66厘米 2 . 磁鐵實際體積 Vm= SmLm=36.6 3=109.8 . 氣隙選擇 在設計電機時，選擇氣隙 時應考慮到發電機的過載能力、靜態和動態穩定型，增大 能提高電機的過載能力和穩定性，但電機經濟性較差。 取 08.0 厘米 2.1.2 轉子 結構的設計 1） 爪形選擇 爪極式轉子由兩 個帶爪的法蘭盤和一個圓環 形 永久磁鐵組成，圖 2-3為具體結構。左右為兩個帶爪子的法蘭盤，二者爪數相等，且等于極數的一半，在設計中每一個法蘭盤的爪數等于 5。工作時兩個法蘭盤對合，二者爪子互相錯開，沿圓周均勻分布。圓環形永久磁鐵夾在兩個帶爪子法蘭盤中間，使一個法蘭盤上的爪子皆為N極，另一個法蘭盤上的爪子皆為 S極性 。 西南大學本科畢業論文（設計） 12 圖 2-3 爪極式永磁轉子的結構圖 取簡單的等寬爪極，材料為 10號鋼。 2） 極距 96.120 54.122 pD R 厘米 3） 爪寬 568.196.18.0 cb厘米，取 bc=1.57厘米 4） 實際極弧系數 8.096.1 57.1 eb 01 5） 爪長 取 3mc LL厘米 6） 初步估計所需爪根截面積 取 3.134 ，0mB=0.8Br， 35.10 ， BCR=8500 代入公式（ 8-41） CRMMCR B BSS0034 850035.1 100003.166.3 =4.15厘米 2 7） 初步 估 算爪根高度 eCRe bSh = 64.257.1 15.4 厘米 西南大學本科畢業論文（設計） 13 8） 初步估算法蘭盤的最大截面積 取rM BB 8.00 ， 9500fB高斯， 按公式（ 8-42） 9500 125008.066.30fMMf BBSS3.85厘米 2 9） 初步估算法蘭盤的厚度 按公式（ 8-43） )6.46.7(85.3102)(2 mim ff DDpSb 2.01 取 fb2厘米 10） 磁鐵外面的非磁性套筒厚度 磁鐵外圓的表面線速度 2m a x 1060nDv mm 21060 60 006.7 =23.9米 /秒 在磁鐵外面加非磁性套筒 取厚度， 5.0 厘米 11） 爪極轉子尺寸設計 根據以上數據，確定爪極轉子各部分的尺寸，如下圖 4-1所示。 12） 爪極實際高度 21)(21 MRc DDh（ 12.54-7.6） -0.5=1.97厘米 13) 爪根的實際截面積 ccCR bhS1.97 1.57=3.09厘米 2 14） 轉子外徑：按公式（ 8-40） DR=1.65 7.6=12.54厘米 考慮到現有加工設備的精度，取定子鐵心內徑 D=12.6厘米 54.1208.026.122 DD R 厘米 15) 爪尖徑向高度 取 3.02 ch厘米 西南大學本科畢業論文（設計） 14 16) 爪極內側斜角 33.097.1121 tgLhhtgcccc 32.3o 17) 爪極軸向中心處的高度 （圖 4-1） 14.1)3.097.1(21)(21 20 ccc hhh厘米 18) 核算 hc0的 極限值 在圖 4-1中， O1 點處的極距 102 )3.0254.12(22( 2 phD cR =1.87 因 bcc，故 1O 點處相鄰的異極爪子不會接觸。 RL 19) 轉軸非磁性軸套 及其 厚度 一般的永磁轉子軸都采用不導磁材料如青銅、鎳基不銹鋼等制成，以免磁短路，但這些不導磁材料的剛性和強度都很差，且成本高，本設計中采用剛軸加單極隔磁的結構，可提高強度，降低成本。 取 8.0 厘米 20)隔磁套材料的選擇 材料必須是非導磁材料，強度、硬度、剛性適當高為好，經過設計以及查詢各種材料機械特性， ZL111 鋁合金、一般黃銅和青銅材料均能滿足要求。本設計將選用 ZL111鋁合金。 21)轉軸 直徑 12min DD4.6-2 0.8=3厘米 22) 法蘭盤計算截面積（每對極） pbDDS fmifi 2)(102 2)6.46.8( =4.14 厘米 2 2.2 定子的 設計 2.2.1 繞組部分數據的計算 1） 初步估計空載有效磁通 西南大學本科畢業論文（設計） 15 000 MMu BS 35.1 12 5008.066.327111麥克思韋 2） 初步估算空栽電勢 5.178.0148.00 NUE伏 3） 每相電樞繞組匝數 取 924.0wk，按公式（ 8-66） 800 104 UB kfkE = 81027111924.011.15004 5.1731.4 匝 取 32匝 4） 每極每相槽數 取分數槽繞組 ： 511q 5） 總槽數 sZ2mpq=2 3 10 51172 6） 繞組節距 采用雙層短距迭繞組，每極槽數 6.3102 722 pZZ ss 繞組節距 ： yi=3 8 33.06.33 isyZ 7） 繞組系數（基波） 966.0)90833.0s in (2s in 0 yk 因511q， b=1， c=1， d=5，故 6151 cdbq 000 1066060 qr 西南大學本科畢業論文（設計） 16 956.0210s in6)2106s in (2s in)2s in (00rqrqk p 9 2 4.09 5 6.09 6 6.0 pyw kkk 8） 并聯支路數： 取 2 4 9） 每槽導體數 按公式（ 8-74） pqun 251110324 =10.67 取 11nu 10） 初估導線截面積： 取 j=5安 /毫米 2 jIq Nc 20 5436 =1.8毫米2 11） 確定導體規格和截面積 采用 QZ-2漆包線，兩根并繞，根據附錄二導線標準取裸導線直徑 08.12 毫米，導線截面積 2 916.0 =1.832 毫米 2 12） 實際電流密度 832.14322 cnNqIi=4.36安 /毫米 2 13） 電樞線負荷 DIZuA Nn2 6.124 361172 =180.2 安 /厘米 2.2.2 確定定子主要尺寸 1） 空氣隙和定子鐵心內徑 ： 0.8 毫米， D=12.6厘米 2） 定子鐵心長度 MS LL =3厘米 3） 初步估計定子槽面積 取 1rk 0.36，按公式（ 8-77） 西南大學本科畢業論文（設計） 17 5636.08 3 2.11110 rcnn h quS毫米 2 =0.56 厘米 2 4） 硅鋼片 采用 0.5毫米厚的 D42硅鋼片 5） 初步估算定子齒寬 取 93.0fck， 10000ZSB高斯 ，按公式（ 8-80） SZSFcUzs LZk pb 02 =310 0007293.080 1.0 27 111102 =0.337 厘米 6） 初步估算定子軛高 取 8000asB高斯，按公式（ 8-81） 3800093.02271112 0 Sasfc Uas LBkh =0.607厘米 7） 定子沖片設計 考慮工廠沖片的通用化以及實際加工水平，取的定子沖片尺寸如圖所示 8） 定子沖片外徑如上圖所示 75.16sD厘米 2.3 磁路和磁路參數及其阻抗的計算 2.3.1 磁路和磁路參數的計算 磁路計算的主要任務是在已知永磁材料和磁路尺寸的條件下，算出求解磁 鐵工作圖所需的各項數據，并根據磁鐵工作圖的求解結果調整磁路尺寸，使磁鐵達到最合理的利用。 1） 計算極弧系數i 根據公式（ 8-86） 西南大學本科畢業論文（設計） 18 164i=8 0 1.01608.087.148 0 1.0 =0.876 2） 氣隙軸向長度 08.0232 rb LL3.16 厘米 3） 氣隙磁通 按公式（ 8-83） bbiub BL0.876bB16.387.1 =5.18Bb 4） 卡特系數 齒距 72 6.12 ss ZDt0.55厘米 按公式（ 8-94） 1010sssb t tk 08.01018.055.0 08.01055.0 1.15 5） 氣隙磁勢降 按公式（ 8-93） bbbb BBkF 15.108.06.16.12 0.147bB 6） 定子齒部磁密 按公式（ 8-96） szsFcbbszs Lbk BLiB 3337.093.0 16.355.0 bB85.1 bB 高斯 7） 定子齒高計算高度 一般電機設計的公式，利用圖 2的尺寸 267.0 dhl zszs1.6 2.067.0 =1.47厘米 西南大學本科畢業論文（設計） 19 8） 定子齒部磁勢降 zszszszszs hHHlF 94.247.1222 安 （導體材料的 B-H曲線，可參閱永磁發電機上附錄一） 9） 定子軛部高度 )2(21 zssos hDDh )6.126.1275.16(210.95厘米 10） 定子軛部磁密 按公式（ 8-98） sosFcbas LhkB 2 395.093.02 18.5 bB 0.98bB高斯 11） 定子軛部長度 102 )95.075.16(2)( phDL ossos 2.48厘米 12） 定子 軛部磁勢降 osososos HHLF 48.2 13） 漏磁導ocG兩端的磁勢 2oszsb FFF 2安 14） 極間漏磁導計算 （ 1）爪形極靴側面之間的漏磁導1oG 按公式（ 4-157），其中 cbb 1.87-1.57=0.3厘米 47.195.0)6.744.12(21)(211 osMRo hDDh厘米 204.047.1 3.01 ohb 由圖 4-73查得 4.01 K 西南大學本科畢業論文（設計） 20 ccoso LKbLhG1014(21 ） = )34.03.0 395.04(4.021 =24.6麥克斯韋 /安 （ 2）爪極與磁鐵之間的漏磁導 由圖（ 4-74）查得 K2=2.3，代入公式（ 4-158） )63.2347.157.1(214.02)(22102 mmccnpo LKLhbkG 3.21 麥克斯韋 /安 （ 3）爪極漏磁導ocG 21 oooc GGG24.6+21.3 9.45 賣克斯韋 /安 15） 爪極之間的漏磁通 ocozsbsc GFFF )22( 1 )22(9.451ozsb FFF 麥克斯韋 16） 爪極的計算磁密 按公式（ 8-111） )(324.009.3 scbscbcRscbcR SB 17） 爪極部分的磁勢降 按公式（ 8-113） cccfccR HHHbLF 7)223(2)2(22 安 18） 法蘭盤中的計算磁密 按公式（ 8-114） )(2597.085.3 scbscbf scbf SB 高斯 19） 法蘭盤中的磁勢降 按公式（ 8-116） 西南大學本科畢業論文（設計） 21 fffMfo HHHDDF 9)6.46.13()(2 11 安 20） 鐵之間附加氣隙的磁勢降 利用公式（ 8-118） ，其中取 005.01 o厘米 66.3005.0222 101 scbm scbo sF )(1073.2 3scb 安 21） 附加氣隙的磁阻 3111073.222 scbooFG安 /麥克斯韋 22） 磁鐵漏磁導sMG 因電機采用磁性轉軸，應考慮磁鐵經過法蘭盤、非磁性軸套和 轉軸閉合的漏磁通 GSm1和 GSm2，計算時忽略轉軸的磁阻。 （ 1）漏磁導 GSm1 平均截面積 1oS 20 2)6.26.4(2 )( p bDD fBMi 26.2 厘米 2 計算長度 21221 isl厘米 得 1 101sosM lSG = 946.0326.24.0 麥克斯韋 /安 （ 2）漏磁導 1022 3)6.26.4(22)(2 p LDDG MBMisM 70.1 厘米 2 2121 2 ss ll厘米 西南大學本科畢業論文（設計） 22 折算到磁鐵兩端的2sMG 534.0270.14.02121 2 202 ooSM lSG 麥克斯韋 /安 （ 3）漏磁導 21 sMsMsM GGG0.946+0.534=1.48 麥克斯韋 /安 23) 合成磁勢降 2222212 ofcRoszsbM FFFFFFFF 安 24) 漏磁通sM MsMMsM FGF 48.1 25) 磁鐵總磁通 sMscbM 麥克斯韋 2.3.2 阻抗計算 1) 繞組平均匝長 按工廠繞線模尺寸，繞組平均匝長 4.381 sl厘米。 2) 020 C時每相繞組電阻 按公式（ 8-119） r2570020 10 cmsqlC 4832.15700 324.38 0294.0 歐姆 3) C075 時每相繞組電阻 r205.234 755.2340294.0 0358.0 歐姆 4) 繞組漏磁導系數 根據一般電機設計的公式計算。 （ 1）槽部漏磁導 系數os， 833.0 5.31833.03132 k 西南大學本科畢業論文（設計） 23 17.467.18 3 3.0367.131 k )2()(3231.041 615142131221ssnnnnnnoshbhbhkbbhkbhbdh )8.1 8.08.18.2 4.028.2 2.1(5.38.25.3 4.1017.45.3 3.0)5.34(3 4.8231.041 2.585 （ 2）端部漏磁導系數cs )64.0(34.0 sscs lLq )833.087.164.066.3(3 2.134.0 362.0 （ 3）差漏磁導系數ds ssds455 8.18.0458.18.05801.0 253.0 （ 4） 2 5 3.03 6 2.05 8 5.2 dscsos 18.3182.3 5) 每相繞組漏抗 按公式（ 8-121） pqLfx sc 2)1 0 0(1 0 01 5 8.0 西南大學本科畢業論文（設計） 24 18.32.110 3)10032(100500158.0 2 064.0 歐姆 6) 系數adk和aqk 按公式（ 7-33）和（ 7-34） )801.021s in (4801.0s in801.02s in4s inadk 0.81 )2801.0s i n (4)2801.0c o s (32801.0s i n801.02s i n42c o s32s i naqk 0.56 7) 橫軸電樞反應電抗 由后面第十節項 7計算結果： cqx0.144 8) 橫軸同步電抗 cqcq xxx0.064+0.081=0.145 2.4 回復直線起始點和穩態短路電流計算 采用穩態短路電流穩定，根據第永磁發電機第 7-11 節表 7-1 的方法計算。 2.4.1 電樞反應去磁作用的等值磁導 系數 oC和 adC可利用公式（ 7-1）和（ 7-29）計算 8 104 kfkC Bo 810924.03208.15004 310639.0 adwad kpkmC 9.0 81.010 92 4.03239.0 6.467 西南大學本科畢業論文（設計） 25 代入公式（ 6-16） 467.610639.056.0)0358.0(064.0322 adoaqcdh CCxrxG 16.04麥克斯韋 /安 2.4.2 scF計算 bbdhUsc BBF 3 2 3.004.1618.5 安 2.4.3 穩態短路時的磁通 135000hMh KD麥克斯韋 90000hhsh DC麥克斯韋 45000hnUb DC麥克斯韋 2.4.4 穩態電路時的縱軸內電勢 dhE UboC= 4500010639.0 3 28.8伏 2.4.5 穩態短路時的內角 按公式（ 6-25） rxtg qh 1 1tg0358.0 145.0 013.76 2.4.6 穩態短路電流 利用公式（ 7-80） 222 )c o s( aqodhhxxrEI 2022 )13.76c os56.0(064.00358.08.28 48安 西南大學本科畢業論文（設計） 26 2.4.7 穩態短路電流 26.13848 Nhi IIk 2.5 解磁鐵工作圖和驗算 2.5.1 設定坐標 根據圖 8-19 得磁曲線的橫坐標為 0.8nl=0.8 4.23 厘米，縱坐標為mS=3.66厘米 2.5.2 求回復直線 366.358.24.04.0 mmrM lSG 4 麥克斯韋 /安 2.5.3 空載煮磁通 空載總磁通 1420000 ooM DA 空載漏磁通 43000ooso DC 空載有效磁通 99000ooUo CA 2.5.4 波形系數 按公式（ 7-2） iiBk )2s in(9.07.0 )907.0s in (9.00 14.1 2.5.5 空載內電勢 8104 UoBo fkE 81099000924.03214.15004 66.7伏 2.5.6 aqx的計算 當 99000Uo麥克斯韋時 西南大學本科畢業論文（設計） 27 1911118.59900018.5 uobB高斯 149019111156.021 bF安 adNo kIpkmF 45.0 81.03610 9 24.032345.0 16 安 081.056.01 4 9 0116367.66. aqboNoaq kFFIEx 2.5.7 確定負載時的內角n 以 85.0cos ， 526.0sin 代入公式（ 8 134） n rIU xIUtgnnqnn c oss in1 0358.03885.0135 145.038526.0135 04.33 2.5.8 確定負載時縱軸電樞反映磁勢 s in9.0 Nadad IhpkmF 04.33s in3681.010 924.03239.0 128 安 初步假設額定負載時的 140000 M 麥克斯韋， 85000U麥克斯韋，0dk處于 0.6950.698之間，1dk處于 0.1840.16 之間。取 697.00 dk， 165.01 dk。 2.89128697.0 adF安 1.211 2 81 6 5.0 adF安 2.5.9 負載磁鐵工作圖 在磁鐵工作圖的 K點水平線上取 2.891 adFKO，過 1 O 點作 KM線的水平線，與 OG 線相交于 2A 點。過 2A 作水平線，與 KM 線交于 1A 點， 1A 點即為額定負載工作西南大學本科畢業論文（設計） 28 點。 14100021 DAM 麥克斯韋 56000220 DC麥克斯韋 8500022 CAU麥克斯韋 2.5.10 計算額定負載時的縱軸內電勢 8104 UBd kfkE 8108 5 0 0 0924.03214.15004 =135.7 伏 2.5.11 按額定數據計算dE 按公式（ 8-141） 43.24.33c o s081.036c o s 0 naqnaq xIE 按公式（ 8-139） 212212 )s i n()c o s( aqnNnnNd ExIUrIUE 21222 43.2)0 6 4.0365 2 6.01 3 5()0 3 5 8.03685.01 3 5( 137伏 與項 10的計算結果相近 符合設計要求 。 3 永磁發電機電子穩壓電路的設計 3.1 永磁發電機特性分析 根據電磁感應原理，發電機的感應電動勢為： nCE 一般交流發電機的端電壓為： )(rR RCIrEU n 由上式中 E 感應電動勢（ V）； C 發電機結構系數； 每極磁通（ Wb）； n發電機轉速（ r/分）； U發電機端電壓（ V）； r發電機定子繞組的阻抗； R負載電阻。 西南大學本科畢業論文（設計） 29 由上式可以看出，發電機的端電壓與發電機的結構常熟、轉速、磁通、負載電阻及定子繞組的阻抗有關。 對于永磁發電機，由于其轉子采用永磁結構，工作時的旋轉磁通是不變的。而發電機在汽車上是由發電機按固定的傳動比驅動旋轉的，其轉速隨發動機轉速變化而在一定范圍內變化。定子繞組的阻抗也隨轉速的變化而相應變化，并且發電機的負載大小也不是固定不變的。因此在結構常數一定的條件下，保持發電機端電壓平均值穩定，就是要保持發電機在轉速和負載變化時輸出電壓的穩定。 3.2 目前永磁發電機電壓的調節方法 永磁發電機的電壓調節方法很多，目前典型的電壓調節方法主要有： （ 1）調整發電機的電磁參數來穩定電壓，這是一種最簡單的方法，即適當選擇發電機的電磁參數，使外特性曲線設計得比較平坦，使負載運行時電壓降不超過允許值。 （ 2）電容器穩壓包括：串聯電容器、并聯電容器、可控電容器穩壓及非線性電容器穩壓。 （ 3）采用可控飽和電抗器來穩定和調整電壓。 （ 4）用改變電樞軛部磁導來調整電壓。 （ 5）機械離心式恒壓發電機開關控制式。 （ 6）并聯式、串連式電子調節器，該類型調節器是目前應用較 多的穩壓方式，該種穩壓方式主要是根據設計要求，通過控制電路控制可控硅導通角的大小，來保證發電機輸出設定的電壓。 （ 7）可橋式半控整流穩壓方案：可控硅橋式半控整流穩壓電路， 3個整流二極管 V1V3組成整流半橋， 3個可控硅 V4 V6 組成控制半橋，可控硅的觸發電路由基準電路、采樣檢測電路、比較電路和保護電路等構成。 （ 8） 調節電樞繞組：發電機的電樞做成多個繞組對應一個負載，低速運行時多個繞組一起工作，高速時逐一斷開繞組，可在一定程度調節輸出電壓。 （ 9）調節有效磁場：永磁轉子為多段結構， N極與 S極沿圓周均布， 各段之間可以相互轉動，當發電機轉速發生變化時，通過改變各段的相對位置，可以將部分磁場短路漏掉而成為無效磁場，從而實現了有效磁場的調節，也能達到調節電壓的目的。但是，在負載變化時，調節機構不起作用，因此這種方法僅適用于定負載的情況。 （ 10）混合勵磁：混合勵磁是采用永磁體勵磁為主，附加電勵磁為輔的勵磁方法，通過調節輔助的電磁場來調節發電機的輸出端電壓，其實質是利用電勵磁發電機的電壓西南大學本科畢業論文（設計） 30 調節方法來調節永磁發電機的電壓。可見，過種方法具有嚴重的困循性。在定轉速的情況下，當負載的變化使輸出電壓波動時，通過輔助電磁場的調 節來實現輸出端電壓的穩定是可行的。但由于主要的磁場不可調節，輔助部分的調節作用是很有限的，汽車發電機的工作轉速一般在 1000 10000r min之間，這么太的轉速范圍，尤其是轉速和負載都發生變化時，僅靠附加電磁場的調節來保證輸出端電壓的穩定是不可能的。 （ 11）能耗分流穩壓法 4：典型的能耗分流穩壓電路所示，發電機電樞繞組 L輸出的交流電經二極管 V整流后向負載 R供電和向蓄電池 GB充電，當端電壓 u。達到設定值時，控制電路輸出觸發信號，可控硅導通將發電機輸出兩端短路，使過剩的電能耗掉，以免燒壞用電器或過充蓄電 池。能耗穩壓法只能用于小功率的發電機，大功率的發電機無法承受穩壓能耗，故不能使用。 3.3 永磁發電機 電壓調節器的電路組成示意 圖 永磁發電機電壓調節器的電路總圖如圖 3-1所示： - + D5 D3 D1 D6 D4 D2 基準電路v 比較電路 觸發電路 采樣檢測 保護電路 圖 3-1 電壓調節器電路工作簡圖 在整個電壓調節電路中擁有基準電路、采樣檢測電路、比較電路、觸發電路和短路保護 電路 組成。 3.3.1 基準電路 和電路保護電路 電壓調節器的基準電壓 是一個電壓輸出電源，它的作用是提供一個穩定的輸出電壓輸入到比較電路用來和采樣檢測電路中的檢測電壓進 行比較。 當電路中突然出現短路，導致電路中的電流急劇增大，這時將會對電路中的各種電子元件進行損壞 。這時短路保護電路將會發生作用， 保護電路中的各種電子元件。 西南大學本科畢業論文（設計） 31 3.3.2 采樣檢測電路 和比較電路 采樣檢測電路 用來檢測發電機輸出電壓值，并將這個檢測值迅速的傳到比較電路中。比較電路的作用是比較比較基準電壓和采樣檢測電路中的檢測信號進行比較，并將比較結果作為觸發電路的開關信號。 3.3.3 觸發電路 工作時發電機輸出的交流電經過橋式半控整流電路整流穩壓后向蓄電池 GB 和向負載 RL 供電。當端電壓 U0達到設定值（ 12V 系列為 U0=14V 時）經采樣檢測電路采集與基準電壓比較后，切斷可控硅觸發信號，可控硅截止，發電機不輸出，當端電壓 U0低于設定值時， 控制電路輸出觸發信號，可控硅導通，發電機對外輸出，向負載和蓄電池供電，如此周而復始，即可實現在很寬的轉速和負載變化范圍內高穩定的電壓輸出。 3.4 發電機電壓調節器電路及其工作過程 3.4.1 電壓調節器電路組成 電壓調節器的整體電路如圖 3-2 所示：其中電路中擁有 D1、 D2、 D3、 D4、 D5、D6六個二極管和 V1、 V2、 V3三個晶閘管。其中 D1、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6六個二 極管組成三相橋式整流電路， D2、 D4、 D6 三個二極管和 V1、 V2、 V3 三個晶閘管組成三相半控橋式整流電路。 電路中加 10V穩壓管進行穩壓用來提供 集成穩壓電源的輸入電源 電路中的基準電壓為單片機 W7800 系列集成穩壓電源提供的 5V 穩定電壓。比較電路為一個電壓比較器，其中電壓比較器的工作電壓 由 W7815系列和 W7915系列組成的正負電壓同時輸出的集成穩壓電源提供。觸發電路由 一個集成 運算 電路放大器 組成。 電阻 R1和 R2組成電壓檢測電路。 二極管 Dz1和 Dz2組成 反接保護電路 。 西南大學本科畢業論文（設計） 32 z2 z1 - + R2 R1 - + C3 C3 C2 C2 C0 C1 D5 D3 D1 D6 D4 D2 W 78 05= W 78 15 W 78 15 圖 3-2 電壓調節器電路總圖 Fig.3-2 The circuit diagram of single-phase， semi-controlled the steady press type electronics machine 其中電路圖中 C0=1 F ， C1=0.33 F ， C2=0.33 F ， C3=1 F ， R1=4.5k R2=2.5k 3.4.2 電壓調節器電路的工作原理及其過程 三只共陽極二極管 D2、 D4、 D6 與三只共陰極可控硅 VT1、 VT2、 VT3 組成 三相可控硅橋式整流電路，另外由 D1、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6 組成三相全波整流電路，通過控制電路為可控硅提供觸發電壓。 當發電機輸出電壓較低（低于額定電壓 14V）時，信號檢測部分檢測到的信號電壓傳到電壓比較器與基準電壓的輸出信號進行比較。通過電壓比較器的比較將信號傳到集成運算放大器。這是集成運算放大器正向導通， 可控硅的控制極獲得正向觸發電壓，可控硅開始導通， 提高發電機輸出電壓。當發電機輸出電壓較高，超過設定電壓 14V 時，穩壓器控制電路就使可控硅失去正向觸發電壓而截至，從而使輸出電壓下降，輸出電壓下降到低于 設定值 14V時， 可控硅被重新觸發導通，使發電機輸出電壓回升。如此反復，使發電機輸出電壓在規定的范圍內波動。 4 性能試驗 車用鋁鎳鈷永磁直流發電機為 l0極爪極式單相永磁同步發電機，發電機額定 電壓值 14V、 額定功率 1500W、 額定轉速 3000r min，選用鋁鎳鈷 5-2。其 Br=12500高斯 Hc= 650奧斯特