[機(jī)械畢業(yè)論文]汽車(chē)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【專(zhuān)業(yè)答辯必備資料】

西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 目 錄 摘要 . 1 Abstract . 2 文獻(xiàn)綜述 . 3 1 引言 . 7 2 永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì) . 7 2.1 轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì) . 7 2.1.1 永 磁體的確定 . 7 2.1.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) . 11 2.2 定子的設(shè)計(jì) . 14 2.2.1 繞組部分?jǐn)?shù)據(jù)的計(jì)算 . 14 2.2.2 確定定子主要尺寸 . 16 2.3 磁路和磁路參數(shù)及其阻抗的計(jì)算 . 17 2.3.1 磁路和磁路參數(shù)的計(jì)算 . 17 2.3.2 阻抗計(jì)算 . 22 2.4 回復(fù)直線起始點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算 . 24 2.4.1 電樞反應(yīng)去磁作用的等值磁導(dǎo) . 24 2.4.2 scF計(jì)算 . 25 2.4.3 穩(wěn)態(tài)短路時(shí)的磁通 . 25 2.4.4 穩(wěn)態(tài)電路時(shí)的縱軸內(nèi)電勢(shì) . 25 2.4.5 穩(wěn)態(tài)短路時(shí)的內(nèi)角 . 25 2.4.6 穩(wěn)態(tài)短路電流 . 25 2.4.7 穩(wěn)態(tài)短路電流 . 26 2.5 解磁鐵工作圖和驗(yàn)算 . 26 2.5.1 設(shè)定坐標(biāo) . 26 2.5.2 求回復(fù)直線 . 26 2.5.3 空載煮磁通 . 26 2.5.4 波形系數(shù) . 26西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2.5.5 空載內(nèi)電勢(shì) . 26 2.5.6 aqx的計(jì)算 . 26 2.5.7 確定負(fù)載時(shí)的內(nèi)角n . 27 2.5.8 確定負(fù)載時(shí)縱軸電樞反映磁勢(shì) . 27 2.5.9 負(fù)載磁鐵工作圖 . 27 2.5.10 計(jì)算額定負(fù)載時(shí)的縱軸內(nèi)電勢(shì) . 28 2.5.11 按額定數(shù)據(jù)計(jì)算dE . 28 3 永磁發(fā)電機(jī)電子穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì) . 28 3.1 永磁發(fā)電機(jī)特性分析 . 28 3.2 目前永磁發(fā)電機(jī)電壓的調(diào)節(jié)方法 . 29 3.3 永磁發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器的電路組成示意圖 . 30 3.3.1 基準(zhǔn)電路和電路保護(hù)電路 . 30 3.3.2 采樣檢測(cè)電路和比較電路 . 31 3.3.3 觸發(fā)電路 . 31 3.4 發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器電路及其工作過(guò)程 . 31 3.4.1 電壓調(diào)節(jié)器電路組成 . 31 3.4.2 電壓調(diào)節(jié)器電路的工作原理及其過(guò)程 . 32 4 性能試驗(yàn) . 32 5 結(jié)論 . 33 參考文獻(xiàn) . 34 致謝 . 35 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 1 14V 車(chē)用永磁發(fā)電機(jī) 及其 電壓調(diào)節(jié)器的研制 趙 亮 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715 摘要 ： 本文介紹了車(chē)用發(fā)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。闡述了永磁發(fā)電機(jī)對(duì)比硅整流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)所具有的優(yōu)勢(shì)。 同時(shí)分析了目前制約車(chē)用永磁發(fā)電機(jī)應(yīng)用的幾個(gè)主要因素。 文中 主要內(nèi)容包含了永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)（具體為永磁材料的選用、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、定子的設(shè)計(jì) 等）和電壓調(diào)節(jié)器的的設(shè)計(jì)。采用 橋式半控整流 電路來(lái)控制永磁發(fā)電機(jī)的輸出電壓，并對(duì)其技術(shù)可行性以及電壓調(diào)節(jié)電路的工作過(guò)程進(jìn)行了分析，結(jié)合車(chē)輛對(duì)發(fā)電機(jī)的性能要求 設(shè)計(jì)出一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用、 工作 穩(wěn)定的車(chē)用永磁發(fā)電機(jī) 。 關(guān)鍵詞 ：車(chē)用發(fā)電機(jī)；永磁發(fā)電機(jī)；電壓調(diào)節(jié)器；整流穩(wěn)壓 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 3 文獻(xiàn)綜述 隨著我國(guó)改革開(kāi)放的深入，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車(chē)工業(yè)作為我國(guó)主要的產(chǎn)業(yè)之一得到也迅猛的發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)了汽車(chē)電機(jī)行業(yè)的大發(fā)展。發(fā) 電機(jī)作為汽車(chē)及其它車(chē)輛的重要配件 其發(fā)展經(jīng)歷了 從直流發(fā)電機(jī)到交流有刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)到交流無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的更新?lián)Q代的漫長(zhǎng)過(guò)程。 在汽車(chē)技術(shù)高度發(fā)展的今天，汽車(chē)電器的容量大幅度增長(zhǎng)。 20世紀(jì) 80年代以來(lái)，隨著人們對(duì)汽車(chē)乘坐舒適性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放環(huán)保性要求的日益提高，最簡(jiǎn)單的辦法是采用電子控制裝置及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而這些裝置和機(jī)構(gòu)都是用電設(shè)備，也就是說(shuō)要 求的電功率越來(lái)越大。由于電能具有傳輸簡(jiǎn)便、轉(zhuǎn)換容易、控制靈活等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用電磁或電動(dòng)執(zhí)行 器取代液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)執(zhí)行器已成為一種趨勢(shì)。 目前汽車(chē)電源廣泛采用雙電源，即蓄電池和發(fā)電機(jī)組成的并聯(lián)供電電路。蓄電池主要在啟動(dòng)時(shí)及時(shí)供應(yīng)極大電流以保證電起動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，而發(fā)電機(jī)是在發(fā)動(dòng)機(jī)正常使用后繼續(xù)供應(yīng)全車(chē)電路所需用電并即時(shí)給蓄電池補(bǔ)充充電。汽車(chē)發(fā)電機(jī) 是將 發(fā)動(dòng)機(jī)的 機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能 ，因而需要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率?，F(xiàn)代汽車(chē)由于用電器的增加，最大的用電功率已達(dá)到 20 30KW，這就要求汽車(chē)電氣提供更高的電能 。這使得研制出一種新型的車(chē)用發(fā)電機(jī)，滿足汽車(chē)電氣的需要成了一種必然。 1.國(guó)內(nèi)外研制發(fā)展?fàn)顩r及其發(fā)展趨勢(shì) 汽車(chē)工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)， 電機(jī)是汽車(chē)電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，離開(kāi)了電機(jī)，汽車(chē)的先進(jìn)性即無(wú)從談起，隨著汽車(chē)電氣化和自動(dòng)化程度的不斷提高，不僅汽車(chē)上的電機(jī)數(shù)量在增加，而且對(duì)電機(jī)的性能也提出了更高的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 2006年我國(guó)生產(chǎn)汽車(chē) 680萬(wàn)輛，社會(huì)保有量 2000萬(wàn)輛，考慮 10的維修更換和其它車(chē)型，依此計(jì)算每年對(duì)車(chē)用發(fā)電機(jī)的需求量為 700多萬(wàn)臺(tái) 10。 汽車(chē)發(fā)電機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了從直流發(fā)電機(jī)到交流有刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī) 到交流無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的更新?lián)Q代。而在所有的電機(jī)中、除車(chē)用發(fā)電機(jī)外，幾乎所有品種的電機(jī)均有被永磁電機(jī)取代的趨勢(shì)，一些發(fā)達(dá)的國(guó)家投入了大量資金來(lái)研制永磁發(fā)電機(jī)。車(chē)用永磁發(fā)電機(jī)，以期先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，決定了該產(chǎn)品的生命力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，必將取代硅整流發(fā)電機(jī)，提高汽車(chē)電氣系統(tǒng)的整體水平，促進(jìn)汽車(chē)工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。目前國(guó)外一些汽車(chē)工業(yè)比較發(fā)達(dá)國(guó)家因其研究時(shí)間較早，國(guó)外發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器已實(shí)現(xiàn)集成電路化，調(diào)節(jié)精度高，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速特性及溫度西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 補(bǔ)償特性好，體積小，可靠性高。我國(guó)因?yàn)槠?chē)工業(yè)發(fā)展比較晚，目前國(guó)產(chǎn)調(diào)壓器的可靠性比較差，嚴(yán) 重影響及普及。其中主要的差距有：（ 1）產(chǎn)品可靠性差，國(guó)產(chǎn)車(chē)用發(fā)電機(jī)的考核壽命只有 3000小時(shí)，在國(guó)產(chǎn)汽車(chē)零部件中，發(fā)電機(jī)的故障率最高，達(dá)百分之十四。（ 2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，通用性差，系列化程度低。在國(guó)外，車(chē)用發(fā)電機(jī)作為一種標(biāo)準(zhǔn)化部件，已實(shí)現(xiàn)系列化生產(chǎn)，而國(guó)內(nèi)車(chē)用發(fā)電機(jī)的開(kāi)發(fā)都要根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)廠不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求和尺寸進(jìn)行。發(fā)電機(jī)型號(hào)十分復(fù)雜，規(guī)格五花八門(mén)，很難形成系列化。（ 3）生產(chǎn)集中度低，不能形成經(jīng)濟(jì)批量。但我國(guó)有得天獨(dú)厚的各種磁性材料資源，對(duì)促進(jìn)永磁發(fā)電機(jī)的發(fā)展提供了廣闊的取材途徑，我國(guó)在永磁發(fā)電機(jī) 的研制方面有著廣闊的發(fā)展前景。 2.永磁發(fā)電機(jī)與硅整流發(fā)電機(jī)比較其具有的優(yōu) 點(diǎn) 1） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 化，工作可靠。永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由于沒(méi)有了勵(lì)磁繞組，也就沒(méi)有了普通發(fā)電機(jī)存在的勵(lì)磁電路、斷路、絕緣損壞等一些故障的發(fā)生，同時(shí)結(jié)構(gòu)也更加簡(jiǎn)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(fā)電機(jī)由于取消了勵(lì)磁繞組，因而沒(méi)有勵(lì)磁損耗和雜散損耗，此外，由于外轉(zhuǎn)子表面光滑，風(fēng)阻小，風(fēng)摩耗也小，因此 ，永磁發(fā)電機(jī)比同功率的普通發(fā)電機(jī) 可提高效率 1O 15 穩(wěn)壓精度高，能防止過(guò)充電，即能減少發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械能的消耗，結(jié)果 是節(jié)省燃油 3。 3） 比功率大。在發(fā)電機(jī)電磁參數(shù)相同的情況下，永磁發(fā)電機(jī)發(fā)熱少，輸出功率大，永磁轉(zhuǎn)子比電磁轉(zhuǎn)子重量輕?？商岣唠姽β?15 2O ， 4） 低速供電性能好。在電磁參數(shù)相同的情況下，硅整流發(fā)電機(jī)“零電流”時(shí)，永磁發(fā)電機(jī)可以對(duì)外輸出 3 5A節(jié)省下來(lái)的“勵(lì)磁電流”，大大改善了低速供電性能。 5） 延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。首先，永磁發(fā)電機(jī)具有很好的低速充電性能，可使蓄電池經(jīng)常處于充足電狀態(tài)，能有效防止蓄電池的極板硫化。第二，穩(wěn)壓精度高，不欠充，也不會(huì)過(guò)充，在充電過(guò)程中始終保持微量出氣狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)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(shí)也有效地避免了因劇烈出氣而造成的活性物質(zhì)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(shí)質(zhì)上是一個(gè)斬波式的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，工作時(shí)，斬掉 (截止 ) 部分波，導(dǎo)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(fù)載，則蓄電池還要放電，相當(dāng)于反充，極化消除效果更好，為導(dǎo)通瞬間充電提供了非常好的條件，在導(dǎo)通瞬間、高幅值的脈沖充電電西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 流，可使極板上的活性物質(zhì)進(jìn)行充分的電化學(xué)反應(yīng)，有較強(qiáng)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(bào)廢的蓄電池， 通過(guò)使用永磁發(fā)電機(jī)，容量顯著增加，叉可以繼續(xù)使用，也相當(dāng)于提高了蓄電池的壽命。 6） 具有短路和極性錯(cuò)接保護(hù)功能。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出端短路或蓄電池極性錯(cuò)接時(shí)，相應(yīng)的保護(hù)電路采 集到故障信息，與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，比較電路得出結(jié)果后，立即切斷觸發(fā)信號(hào)，可控硅截止，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)及其相偳線路的保護(hù)。 7） 輸出電壓不穩(wěn)定，電壓波動(dòng)較大。永磁發(fā)電機(jī)的輸出電壓隨著汽車(chē)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化而變化，而目前廣泛應(yīng)用的硅整流發(fā)電機(jī)是通過(guò)礪磁電流改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)的方法來(lái)調(diào)節(jié)電壓，這種方法具有技術(shù)成熟、控制穩(wěn)定的特點(diǎn)。 3.本課題的設(shè)計(jì)難點(diǎn) 現(xiàn)在汽車(chē)上使用電勵(lì)磁的硅整流發(fā)電機(jī)是通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓，故而很容易實(shí)現(xiàn)以控制小電流達(dá)到控制大電流的目的，而且這方面的技術(shù)比較成熟在工作時(shí)輸出電壓穩(wěn)定。但通過(guò)這種方法調(diào)節(jié)的發(fā)電機(jī)仍存在著效率不高且怠速時(shí)輸出特征只是滿負(fù)荷時(shí)輸出的 1/4、低速發(fā)電性不好、可靠性差、工藝復(fù)雜、壽命短、故障率高、特別是在多個(gè)電器同時(shí)使用的情況下因所需功率較大而無(wú)法實(shí)現(xiàn)等缺點(diǎn)。永磁發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率大等特點(diǎn)正好禰補(bǔ)了硅整流的發(fā)電機(jī)的不足，使永磁發(fā)電機(jī)能過(guò)在不同轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定的輸 出電壓，滿足工作的需要。但在永磁發(fā) 電機(jī)的設(shè)計(jì)中仍存在著兩個(gè)難點(diǎn)。第一 如果設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，永磁發(fā)電機(jī)在過(guò)高的溫度時(shí)，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械振動(dòng)時(shí)有可能產(chǎn)生不可逆退磁（或叫失磁）。使電機(jī)性能降低，甚至無(wú)法使用。因此，即要研究檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結(jié)構(gòu)形 式的抗去磁能力，以使在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，保證永磁發(fā)電機(jī)不失磁。第二 發(fā)電機(jī)制成后不需要外界能量即可維持其磁場(chǎng)，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場(chǎng)為困難，這些使永磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍受到限制。但是，隨著電力電子器件技術(shù)的迅猛發(fā)展，用磁發(fā)電機(jī)在應(yīng)用中可以不必進(jìn)行 磁場(chǎng)而進(jìn)行電機(jī)輸出控制，但在目前電壓輸出調(diào)節(jié)電路仍然存在一定困難，尚沒(méi)有獨(dú)立的電子器件能獨(dú)立完成因此設(shè)計(jì)時(shí)需要將永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、電力電子器件和控制電路結(jié)合起來(lái)，是發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定輸出。 4.永磁發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器的簡(jiǎn)介 永久磁鐵充磁后的磁特性是不可調(diào)的，發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，由于電樞反應(yīng)的作西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 用和電阻壓降的影響，輸出電壓隨負(fù)載變化。因此，永久交流發(fā)電機(jī)的電壓穩(wěn)定性較差。如何在變轉(zhuǎn)速變負(fù)載工況下保持輸出電壓的穩(wěn)定，是車(chē)用永磁發(fā)電機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)。為了達(dá)到一定的穩(wěn)壓要求，需有專(zhuān)門(mén)措施。但是，穩(wěn)壓要求往往與電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，運(yùn) 行特性和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性相矛盾，目前還未完善。永磁發(fā)電機(jī)其磁場(chǎng)是固定的，輸出電壓將隨轉(zhuǎn)速和負(fù)載的變化而變化，由于交流發(fā)電機(jī)隨轉(zhuǎn)速升高，阻抗也增大，而產(chǎn)生限流作用，在負(fù)載不變的情況下，可以保持其輸出電壓不致過(guò)高，在要求不高的場(chǎng)合可湊合使用 但實(shí)際上，即使負(fù)載不變。轉(zhuǎn)速改變時(shí)，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(diǎn)。 電壓調(diào)節(jié)器最簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的辦法是適當(dāng)選擇發(fā)電機(jī)的電磁參數(shù)，外特性曲線設(shè)計(jì)得比較平坦，使負(fù)載運(yùn)行時(shí)電壓降不超過(guò)允許值。設(shè)計(jì)時(shí)可由電和磁兩個(gè)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(yīng)磁勢(shì)。后者包括選用可逆導(dǎo)磁率小的永磁材料，增加磁鐵長(zhǎng)度，提高氣隙磁密，選擇較大的漏磁系數(shù)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(dǎo)線截面積和槽面積，引起電機(jī)有效材料和結(jié)構(gòu)材料的增加。由于電阻對(duì)外特性的影響不大，因此不宜過(guò)分地增大導(dǎo)線的截面積。為了減小繞組的漏抗，可以適當(dāng)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(shù)，同時(shí)降低電樞反應(yīng)磁勢(shì)。但這會(huì)使電機(jī)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(tǒng)的漏磁導(dǎo)可以降低縱軸電樞反應(yīng)磁勢(shì)對(duì)磁鐵的去磁作用，但也會(huì)降低空載有效磁通， 所以漏磁系數(shù)也不宜過(guò)大。 車(chē)輛用永磁發(fā)電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，省去了碳刷、滑環(huán)裝置及電勵(lì)磁繞組，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但由于永磁發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性比電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜，配套使用電子穩(wěn)壓器后更難以描述發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。因此，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)電子穩(wěn)壓器的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行數(shù)字仿真就顯得十分必要。在樣機(jī)試制出之前預(yù)知發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，可為該發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。 5.本課題的 設(shè)計(jì)思路 永磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)部分考慮到車(chē)用發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)和工作環(huán)境，比較 圓柱形無(wú)極靴星形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和爪極 式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和適用條件， 選擇爪極式作為此次發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方案選用 可橋式半控整流穩(wěn)壓方案。調(diào)節(jié)器的電路中 3個(gè)整流二極管組成整流半橋， 3個(gè)可控硅組成控制半橋?？煽毓璧挠|發(fā)電路基準(zhǔn)電路、采樣檢測(cè)電路、比較電路和保護(hù)電路等構(gòu)成。 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 1 引言 隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車(chē)結(jié)構(gòu)和性能不斷完善提高，人們對(duì)汽車(chē)安全性、舒適性、和智能化的要求，使得汽車(chē)上裝配的電器越來(lái)越多，隨之而來(lái)的是汽車(chē)電能消耗成倍的增加，給汽車(chē)電源和供電系統(tǒng)帶來(lái)了極大的壓力。目前汽車(chē)發(fā)電機(jī)主要是硅整流發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)由電勵(lì)磁 繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)勵(lì)磁繞組的電能只有很少一部分轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電的磁能，絕大部分電能由于勵(lì)磁繞組的發(fā)熱而消耗掉，而且轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組易燒毀、斷線、消耗電能多，必須由蓄電磁提供勵(lì)磁電流才能發(fā)電，這樣勢(shì)必增加了汽車(chē)的成本。一種硅整流發(fā)電機(jī)帶有碳刷滑環(huán)結(jié)構(gòu)，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(fā)電機(jī)是無(wú)刷發(fā)電機(jī)，該機(jī)增加了磁場(chǎng)氣隙，漏磁大，材料利用率低，成本高。因此有必要研究無(wú)電勵(lì)磁繞組、無(wú)碳刷滑環(huán)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子為永磁材料的發(fā)電機(jī)以及一種相對(duì)應(yīng)的集穩(wěn)壓、整流為一體的發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器。 2 永 磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)爪極式永磁同步發(fā)電機(jī)，根據(jù)目前車(chē)用發(fā)電機(jī)的實(shí)際功率和工作電壓設(shè)計(jì)發(fā)發(fā)電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。技術(shù)指標(biāo)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(shù)： cos =0.85 5. 相數(shù)： m=3 6. 額定轉(zhuǎn)速： n=3000 轉(zhuǎn) /分 7. 頻率： f=500Hz 冷卻方式：自然冷卻 2.1 轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì) 2.1.1 永磁體的確定 1） 永磁材料的選擇 永磁發(fā)電機(jī)永磁材料 的選擇，應(yīng)該結(jié)合車(chē)輛對(duì)發(fā)電機(jī)的性能要求，遵循以下原西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 則進(jìn)行選擇。 (1)永磁材料能夠產(chǎn)生足夠大的氣隙磁場(chǎng)達(dá)到發(fā)電機(jī)性能指 標(biāo)的要求。(2)在規(guī)定的環(huán)境條件、工作溫度和使用條件下保證磁性能穩(wěn)定； (3)經(jīng)濟(jì)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(fù)雜，需要用多項(xiàng)參數(shù)來(lái)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(gè)重要參數(shù)剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br 和磁感應(yīng)強(qiáng)度矯頑力 HC以及另一參數(shù)最大磁能積 (BH)max.從永磁材料的應(yīng)用角度來(lái)分析，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)干擾的能力越強(qiáng)，在磁化方向的厚度就可以越小 。 (2)回復(fù)線：回復(fù)線與退磁曲線兩者相重合時(shí)，可以使永磁發(fā)電機(jī)的磁性能在運(yùn)行過(guò)程中保持穩(wěn)定。 (3)內(nèi)稟退磁曲線： 內(nèi)稟退磁曲線的形狀矩形度越好，永磁材料的磁 性能越穩(wěn)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(qiáng)。 (4)穩(wěn)定性：主要是熱穩(wěn)定性、磁穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性。永磁材料的磁性能受溫度、外磁場(chǎng)、化學(xué)因素和使用時(shí)間長(zhǎng)短的影響越小越好。 由于車(chē)用發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍較大，負(fù)載為電阻性，因此這種發(fā)電機(jī)性能的好壞主要可以從兩個(gè)方面體現(xiàn)出來(lái)，一是發(fā)電機(jī)低速輸出電壓，另一個(gè)是發(fā)電機(jī)高速時(shí)的輸出電壓調(diào)節(jié) 性能。 永磁材料對(duì)發(fā)電機(jī)低速性能的影響 影響發(fā)電機(jī)低速性能的一個(gè)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(shù)是剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br和最大磁能積 (BH)max鐵氧體永磁材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(fā)電機(jī)性能需要提高磁通的截面積，使發(fā)電機(jī)體積增大；鋁鎳鐵材料的Br和最大磁能積都很高，遠(yuǎn)大于鐵氧體 (如圖 2-2 的退磁曲線 )，對(duì)于設(shè)計(jì)同樣性能指標(biāo)的發(fā)電機(jī)，可以使發(fā)電機(jī)的體積較小因此考慮發(fā)電機(jī)的低速性能，選擇鋁鎳鐵材料是比較好的，可以使發(fā)電機(jī)的低速性能得到較大完善，也可以在發(fā)電機(jī)定子和繞組不變的情況下使發(fā)電機(jī)輸出功率得到極大提高。如將用 Y30BH 鐵氧體永磁材料設(shè)計(jì)的 150W 皮帶輪式永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子換成鋁鎳鈷永磁材料，對(duì)發(fā)電機(jī)性能進(jìn)行比較，從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為 2O00r min 時(shí)的數(shù)據(jù)可以看出 ，采用鋁鎳鈷材料的發(fā)電機(jī)，低速輸出電壓更高。 本次設(shè)計(jì)的車(chē)用發(fā)電機(jī) 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(lèi)磁鋼是以鐵鎳鋁為基礎(chǔ)的采用澆鑄法制造的合金。 基本參數(shù)為剩余磁感應(yīng) 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(jī)中用得最多、最廣的一類(lèi)磁鋼 1。 初步選擇各系數(shù) 取極弧系數(shù) =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(shù) kad=0.81 波形系數(shù) ka=1.11 漏磁系數(shù) 0=1.35 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 磁勢(shì)系數(shù) CF=1.15 短路電流系數(shù) 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(jié)構(gòu)參數(shù) 首先假設(shè)永磁發(fā)電機(jī)的負(fù)載為純電感性的，縱軸電樞反應(yīng)分量對(duì)磁鐵的去磁作用最大。當(dāng) 0cos 時(shí)，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(dāng) cos =0.85時(shí)，由圖 8-2查得 Vm=0.125Vm 故 Vm=102.5 （ 1-0.125） =87厘米 3 圓環(huán)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(huán)形磁鐵內(nèi)徑 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 Dmi= D Dm=0.6 7.6 =4.56厘米，取 Dmi=4.6厘米 . 圓環(huán)形磁鐵長(zhǎng)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(jī)極對(duì)數(shù) P=nf60= 10300050060 . 磁鐵截面積（每對(duì)極） Sm=p1 Sm=101 36.6=3.66厘米 2 . 磁鐵實(shí)際體積 Vm= SmLm=36.6 3=109.8 . 氣隙選擇 在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，選擇氣隙 時(shí)應(yīng)考慮到發(fā)電機(jī)的過(guò)載能力、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定型，增大 能提高電機(jī)的過(guò)載能力和穩(wěn)定性，但電機(jī)經(jīng)濟(jì)性較差。 取 08.0 厘米 2.1.2 轉(zhuǎn)子 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1） 爪形選擇 爪極式轉(zhuǎn)子由兩 個(gè)帶爪的法蘭盤(pán)和一個(gè)圓環(huán) 形 永久磁鐵組成，圖 2-3為具體結(jié)構(gòu)。左右為兩個(gè)帶爪子的法蘭盤(pán)，二者爪數(shù)相等，且等于極數(shù)的一半，在設(shè)計(jì)中每一個(gè)法蘭盤(pán)的爪數(shù)等于 5。工作時(shí)兩個(gè)法蘭盤(pán)對(duì)合，二者爪子互相錯(cuò)開(kāi)，沿圓周均勻分布。圓環(huán)形永久磁鐵夾在兩個(gè)帶爪子法蘭盤(pán)中間，使一個(gè)法蘭盤(pán)上的爪子皆為N極，另一個(gè)法蘭盤(pán)上的爪子皆為 S極性 。 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 圖 2-3 爪極式永磁轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)圖 取簡(jiǎn)單的等寬爪極，材料為 10號(hào)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(shí)際極弧系數(shù) 8.096.1 57.1 eb 01 5） 爪長(zhǎng) 取 3mc LL厘米 6） 初步估計(jì)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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 8） 初步估算法蘭盤(pán)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(pán)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(zhuǎn)子尺寸設(shè)計(jì) 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，確定爪極轉(zhuǎn)子各部分的尺寸，如下圖 4-1所示。 12） 爪極實(shí)際高度 21)(21 MRc DDh（ 12.54-7.6） -0.5=1.97厘米 13) 爪根的實(shí)際截面積 ccCR bhS1.97 1.57=3.09厘米 2 14） 轉(zhuǎn)子外徑：按公式（ 8-40） DR=1.65 7.6=12.54厘米 考慮到現(xiàn)有加工設(shè)備的精度，取定子鐵心內(nèi)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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 16) 爪極內(nèi)側(cè)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(diǎn)處的極距 102 )3.0254.12(22( 2 phD cR =1.87 因 bcc，故 1O 點(diǎn)處相鄰的異極爪子不會(huì)接觸。 RL 19) 轉(zhuǎn)軸非磁性軸套 及其 厚度 一般的永磁轉(zhuǎn)子軸都采用不導(dǎo)磁材料如青銅、鎳基不銹鋼等制成，以免磁短路，但這些不導(dǎo)磁材料的剛性和強(qiáng)度都很差，且成本高，本設(shè)計(jì)中采用剛軸加單極隔磁的結(jié)構(gòu)，可提高強(qiáng)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(dǎo)磁材料，強(qiáng)度、硬度、剛性適當(dāng)高為好，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)以及查詢(xún)各種材料機(jī)械特性， ZL111 鋁合金、一般黃銅和青銅材料均能滿足要求。本設(shè)計(jì)將選用 ZL111鋁合金。 21)轉(zhuǎn)軸 直徑 12min DD4.6-2 0.8=3厘米 22) 法蘭盤(pán)計(jì)算截面積（每對(duì)極） pbDDS fmifi 2)(102 2)6.46.8( =4.14 厘米 2 2.2 定子的 設(shè)計(jì) 2.2.1 繞組部分?jǐn)?shù)據(jù)的計(jì)算 1） 初步估計(jì)空載有效磁通 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 000 MMu BS 35.1 12 5008.066.327111麥克思韋 2） 初步估算空栽電勢(shì) 5.178.0148.00 NUE伏 3） 每相電樞繞組匝數(shù) 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(shù) 取分?jǐn)?shù)槽繞組 ： 511q 5） 總槽數(shù) sZ2mpq=2 3 10 51172 6） 繞組節(jié)距 采用雙層短距迭繞組，每極槽數(shù) 6.3102 722 pZZ ss 繞組節(jié)距 ： yi=3 8 33.06.33 isyZ 7） 繞組系數(shù)（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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(lián)支路數(shù)： 取 2 4 9） 每槽導(dǎo)體數(shù) 按公式（ 8-74） pqun 251110324 =10.67 取 11nu 10） 初估導(dǎo)線截面積： 取 j=5安 /毫米 2 jIq Nc 20 5436 =1.8毫米2 11） 確定導(dǎo)體規(guī)格和截面積 采用 QZ-2漆包線，兩根并繞，根據(jù)附錄二導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)取裸導(dǎo)線直徑 08.12 毫米，導(dǎo)線截面積 2 916.0 =1.832 毫米 2 12） 實(shí)際電流密度 832.14322 cnNqIi=4.36安 /毫米 2 13） 電樞線負(fù)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(nèi)徑 ： 0.8 毫米， D=12.6厘米 2） 定子鐵心長(zhǎng)度 MS LL =3厘米 3） 初步估計(jì)定子槽面積 取 1rk 0.36，按公式（ 8-77） 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(shè)計(jì) 考慮工廠沖片的通用化以及實(shí)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(shù)及其阻抗的計(jì)算 2.3.1 磁路和磁路參數(shù)的計(jì)算 磁路計(jì)算的主要任務(wù)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(xiàng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)磁鐵工作圖的求解結(jié)果調(diào)整磁路尺寸，使磁鐵達(dá)到最合理的利用。 1） 計(jì)算極弧系數(shù)i 根據(jù)公式（ 8-86） 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 18 164i=8 0 1.01608.087.148 0 1.0 =0.876 2） 氣隙軸向長(zhǎng)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(shù) 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(shì)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(jì)算高度 一般電機(jī)設(shè)計(jì)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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 19 8） 定子齒部磁勢(shì)降 zszszszszs hHHlF 94.247.1222 安 （導(dǎo)體材料的 B-H曲線，可參閱永磁發(fā)電機(jī)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(zhǎng)度 102 )95.075.16(2)( phDL ossos 2.48厘米 12） 定子 軛部磁勢(shì)降 osososos HHLF 48.2 13） 漏磁導(dǎo)ocG兩端的磁勢(shì) 2oszsb FFF 2安 14） 極間漏磁導(dǎo)計(jì)算 （ 1）爪形極靴側(cè)面之間的漏磁導(dǎo)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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(dǎo) 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(dǎo)ocG 21 oooc GGG24.6+21.3 9.45 賣(mài)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(jì)算磁密 按公式（ 8-111） )(324.009.3 scbscbcRscbcR SB 17） 爪極部分的磁勢(shì)降 按公式（ 8-113） cccfccR HHHbLF 7)223(2)2(22 安 18） 法蘭盤(pán)中的計(jì)算磁密 按公式（ 8-114） )(2597.085.3 scbscbf scbf SB 高斯 19） 法蘭盤(pán)中的磁勢(shì)降 按公式（ 8-116） 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 21 fffMfo HHHDDF 9)6.46.13()(2 11 安 20） 鐵之間附加氣隙的磁勢(shì)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(dǎo)sMG 因電機(jī)采用磁性轉(zhuǎn)軸，應(yīng)考慮磁鐵經(jīng)過(guò)法蘭盤(pán)、非磁性軸套和 轉(zhuǎn)軸閉合的漏磁通 GSm1和 GSm2，計(jì)算時(shí)忽略轉(zhuǎn)軸的磁阻。 （ 1）漏磁導(dǎo) GSm1 平均截面積 1oS 20 2)6.26.4(2 )( p bDD fBMi 26.2 厘米 2 計(jì)算長(zhǎng)度 21221 isl厘米 得 1 101sosM lSG = 946.0326.24.0 麥克斯韋 /安 （ 2）漏磁導(dǎo) 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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(dǎo) 21 sMsMsM GGG0.946+0.534=1.48 麥克斯韋 /安 23) 合成磁勢(shì)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(jì)算 1) 繞組平均匝長(zhǎng) 按工廠繞線模尺寸，繞組平均匝長(zhǎng) 4.381 sl厘米。 2) 020 C時(shí)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(shí)每相繞組電阻 r205.234 755.2340294.0 0358.0 歐姆 4) 繞組漏磁導(dǎo)系數(shù) 根據(jù)一般電機(jī)設(shè)計(jì)的公式計(jì)算。 （ 1）槽部漏磁導(dǎo) 系數(shù)os， 833.0 5.31833.03132 k 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(dǎo)系數(shù)cs )64.0(34.0 sscs lLq )833.087.164.066.3(3 2.134.0 362.0 （ 3）差漏磁導(dǎo)系數(shù)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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 24 18.32.110 3)10032(100500158.0 2 064.0 歐姆 6) 系數(shù)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(yīng)電抗 由后面第十節(jié)項(xiàng) 7計(jì)算結(jié)果： cqx0.144 8) 橫軸同步電抗 cqcq xxx0.064+0.081=0.145 2.4 回復(fù)直線起始點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算 采用穩(wěn)態(tài)短路電流穩(wěn)定，根據(jù)第永磁發(fā)電機(jī)第 7-11 節(jié)表 7-1 的方法計(jì)算。 2.4.1 電樞反應(yīng)去磁作用的等值磁導(dǎo) 系數(shù) oC和 adC可利用公式（ 7-1）和（ 7-29）計(jì)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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(jì)算 bbdhUsc BBF 3 2 3.004.1618.5 安 2.4.3 穩(wěn)態(tài)短路時(shí)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(wěn)態(tài)電路時(shí)的縱軸內(nèi)電勢(shì) dhE UboC= 4500010639.0 3 28.8伏 2.4.5 穩(wěn)態(tài)短路時(shí)的內(nèi)角 按公式（ 6-25） rxtg qh 1 1tg0358.0 145.0 013.76 2.4.6 穩(wěn)態(tài)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(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 26 2.4.7 穩(wěn)態(tài)短路電流 26.13848 Nhi IIk 2.5 解磁鐵工作圖和驗(yàn)算 2.5.1 設(shè)定坐標(biāo) 根據(jù)圖 8-19 得磁曲線的橫坐標(biāo)為 0.8nl=0.8 4.23 厘米，縱坐標(biāo)為mS=3.66厘米 2.5.2 求回復(fù)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(shù) 按公式（ 7-2） iiBk )2s in(9.07.0 )907.0s in (9.00 14.1 2.5.5 空載內(nèi)電勢(shì) 8104 UoBo fkE 81099000924.03214.15004 66.7伏 2.5.6 aqx的計(jì)算 當(dāng) 99000Uo麥克斯韋時(shí) 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(fù)載時(shí)的內(nèi)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(fù)載時(shí)縱軸電樞反映磁勢(shì) s in9.0 Nadad IhpkmF 04.33s in3681.010 924.03239.0 128 安 初步假設(shè)額定負(fù)載時(shí)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(fù)載磁鐵工作圖 在磁鐵工作圖的 K點(diǎn)水平線上取 2.891 adFKO，過(guò) 1 O 點(diǎn)作 KM線的水平線，與 OG 線相交于 2A 點(diǎn)。過(guò) 2A 作水平線，與 KM 線交于 1A 點(diǎn)， 1A 點(diǎn)即為額定負(fù)載工作西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 28 點(diǎn)。 14100021 DAM 麥克斯韋 56000220 DC麥克斯韋 8500022 CAU麥克斯韋 2.5.10 計(jì)算額定負(fù)載時(shí)的縱軸內(nèi)電勢(shì) 8104 UBd kfkE 8108 5 0 0 0924.03214.15004 =135.7 伏 2.5.11 按額定數(shù)據(jù)計(jì)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(xiàng) 10的計(jì)算結(jié)果相近 符合設(shè)計(jì)要求 。 3 永磁發(fā)電機(jī)電子穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì) 3.1 永磁發(fā)電機(jī)特性分析 根據(jù)電磁感應(yīng)原理，發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： nCE 一般交流發(fā)電機(jī)的端電壓為： )(rR RCIrEU n 由上式中 E 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（ V）； C 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)系數(shù)； 每極磁通（ Wb）； n發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（ r/分）； U發(fā)電機(jī)端電壓（ V）； r發(fā)電機(jī)定子繞組的阻抗； R負(fù)載電阻。 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 29 由上式可以看出，發(fā)電機(jī)的端電壓與發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)常熟、轉(zhuǎn)速、磁通、負(fù)載電阻及定子繞組的阻抗有關(guān)。 對(duì)于永磁發(fā)電機(jī)，由于其轉(zhuǎn)子采用永磁結(jié)構(gòu)，工作時(shí)的旋轉(zhuǎn)磁通是不變的。而發(fā)電機(jī)在汽車(chē)上是由發(fā)電機(jī)按固定的傳動(dòng)比驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的，其轉(zhuǎn)速隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化而在一定范圍內(nèi)變化。定子繞組的阻抗也隨轉(zhuǎn)速的變化而相應(yīng)變化，并且發(fā)電機(jī)的負(fù)載大小也不是固定不變的。因此在結(jié)構(gòu)常數(shù)一定的條件下，保持發(fā)電機(jī)端電壓平均值穩(wěn)定，就是要保持發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定。 3.2 目前永磁發(fā)電機(jī)電壓的調(diào)節(jié)方法 永磁發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)方法很多，目前典型的電壓調(diào)節(jié)方法主要有： （ 1）調(diào)整發(fā)電機(jī)的電磁參數(shù)來(lái)穩(wěn)定電壓，這是一種最簡(jiǎn)單的方法，即適當(dāng)選擇發(fā)電機(jī)的電磁參數(shù)，使外特性曲線設(shè)計(jì)得比較平坦，使負(fù)載運(yùn)行時(shí)電壓降不超過(guò)允許值。 （ 2）電容器穩(wěn)壓包括：串聯(lián)電容器、并聯(lián)電容器、可控電容器穩(wěn)壓及非線性電容器穩(wěn)壓。 （ 3）采用可控飽和電抗器來(lái)穩(wěn)定和調(diào)整電壓。 （ 4）用改變電樞軛部磁導(dǎo)來(lái)調(diào)整電壓。 （ 5）機(jī)械離心式恒壓發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)控制式。 （ 6）并聯(lián)式、串連式電子調(diào)節(jié)器，該類(lèi)型調(diào)節(jié)器是目前應(yīng)用較 多的穩(wěn)壓方式，該種穩(wěn)壓方式主要是根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)控制電路控制可控硅導(dǎo)通角的大小，來(lái)保證發(fā)電機(jī)輸出設(shè)定的電壓。 （ 7）可橋式半控整流穩(wěn)壓方案：可控硅橋式半控整流穩(wěn)壓電路， 3個(gè)整流二極管 V1V3組成整流半橋， 3個(gè)可控硅 V4 V6 組成控制半橋，可控硅的觸發(fā)電路由基準(zhǔn)電路、采樣檢測(cè)電路、比較電路和保護(hù)電路等構(gòu)成。 （ 8） 調(diào)節(jié)電樞繞組：發(fā)電機(jī)的電樞做成多個(gè)繞組對(duì)應(yīng)一個(gè)負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)多個(gè)繞組一起工作，高速時(shí)逐一斷開(kāi)繞組，可在一定程度調(diào)節(jié)輸出電壓。 （ 9）調(diào)節(jié)有效磁場(chǎng)：永磁轉(zhuǎn)子為多段結(jié)構(gòu)， N極與 S極沿圓周均布， 各段之間可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)改變各段的相對(duì)位置，可以將部分磁場(chǎng)短路漏掉而成為無(wú)效磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了有效磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)，也能達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。但是，在負(fù)載變化時(shí)，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不起作用，因此這種方法僅適用于定負(fù)載的情況。 （ 10）混合勵(lì)磁：混合勵(lì)磁是采用永磁體勵(lì)磁為主，附加電勵(lì)磁為輔的勵(lì)磁方法，通過(guò)調(diào)節(jié)輔助的電磁場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出端電壓，其實(shí)質(zhì)是利用電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的電壓西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 30 調(diào)節(jié)方法來(lái)調(diào)節(jié)永磁發(fā)電機(jī)的電壓。可見(jiàn)，過(guò)種方法具有嚴(yán)重的困循性。在定轉(zhuǎn)速的情況下，當(dāng)負(fù)載的變化使輸出電壓波動(dòng)時(shí)，通過(guò)輔助電磁場(chǎng)的調(diào) 節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出端電壓的穩(wěn)定是可行的。但由于主要的磁場(chǎng)不可調(diào)節(jié)，輔助部分的調(diào)節(jié)作用是很有限的，汽車(chē)發(fā)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速一般在 1000 10000r min之間，這么太的轉(zhuǎn)速范圍，尤其是轉(zhuǎn)速和負(fù)載都發(fā)生變化時(shí)，僅靠附加電磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)來(lái)保證輸出端電壓的穩(wěn)定是不可能的。 （ 11）能耗分流穩(wěn)壓法 4：典型的能耗分流穩(wěn)壓電路所示，發(fā)電機(jī)電樞繞組 L輸出的交流電經(jīng)二極管 V整流后向負(fù)載 R供電和向蓄電池 GB充電，當(dāng)端電壓 u。達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制電路輸出觸發(fā)信號(hào)，可控硅導(dǎo)通將發(fā)電機(jī)輸出兩端短路，使過(guò)剩的電能耗掉，以免燒壞用電器或過(guò)充蓄電 池。能耗穩(wěn)壓法只能用于小功率的發(fā)電機(jī)，大功率的發(fā)電機(jī)無(wú)法承受穩(wěn)壓能耗，故不能使用。 3.3 永磁發(fā)電機(jī) 電壓調(diào)節(jié)器的電路組成示意 圖 永磁發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器的電路總圖如圖 3-1所示： - + D5 D3 D1 D6 D4 D2 基準(zhǔn)電路v 比較電路 觸發(fā)電路 采樣檢測(cè) 保護(hù)電路 圖 3-1 電壓調(diào)節(jié)器電路工作簡(jiǎn)圖 在整個(gè)電壓調(diào)節(jié)電路中擁有基準(zhǔn)電路、采樣檢測(cè)電路、比較電路、觸發(fā)電路和短路保護(hù) 電路 組成。 3.3.1 基準(zhǔn)電路 和電路保護(hù)電路 電壓調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓 是一個(gè)電壓輸出電源，它的作用是提供一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓輸入到比較電路用來(lái)和采樣檢測(cè)電路中的檢測(cè)電壓進(jìn) 行比較。 當(dāng)電路中突然出現(xiàn)短路，導(dǎo)致電路中的電流急劇增大，這時(shí)將會(huì)對(duì)電路中的各種電子元件進(jìn)行損壞 。這時(shí)短路保護(hù)電路將會(huì)發(fā)生作用， 保護(hù)電路中的各種電子元件。 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 31 3.3.2 采樣檢測(cè)電路 和比較電路 采樣檢測(cè)電路 用來(lái)檢測(cè)發(fā)電機(jī)輸出電壓值，并將這個(gè)檢測(cè)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(zhǔn)電壓和采樣檢測(cè)電路中的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果作為觸發(fā)電路的開(kāi)關(guān)信號(hào)。 3.3.3 觸發(fā)電路 工作時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的交流電經(jīng)過(guò)橋式半控整流電路整流穩(wěn)壓后向蓄電池 GB 和向負(fù)載 RL 供電。當(dāng)端電壓 U0達(dá)到設(shè)定值（ 12V 系列為 U0=14V 時(shí)）經(jīng)采樣檢測(cè)電路采集與基準(zhǔn)電壓比較后，切斷可控硅觸發(fā)信號(hào)，可控硅截止，發(fā)電機(jī)不輸出，當(dāng)端電壓 U0低于設(shè)定值時(shí)， 控制電路輸出觸發(fā)信號(hào)，可控硅導(dǎo)通，發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出，向負(fù)載和蓄電池供電，如此周而復(fù)始，即可實(shí)現(xiàn)在很寬的轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化范圍內(nèi)高穩(wěn)定的電壓輸出。 3.4 發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器電路及其工作過(guò)程 3.4.1 電壓調(diào)節(jié)器電路組成 電壓調(diào)節(jié)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(gè)二極管和 V1、 V2、 V3三個(gè)晶閘管。其中 D1、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6六個(gè)二 極管組成三相橋式整流電路， D2、 D4、 D6 三個(gè)二極管和 V1、 V2、 V3 三個(gè)晶閘管組成三相半控橋式整流電路。 電路中加 10V穩(wěn)壓管進(jìn)行穩(wěn)壓用來(lái)提供 集成穩(wěn)壓電源的輸入電源 電路中的基準(zhǔn)電壓為單片機(jī) W7800 系列集成穩(wěn)壓電源提供的 5V 穩(wěn)定電壓。比較電路為一個(gè)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(fù)電壓同時(shí)輸出的集成穩(wěn)壓電源提供。觸發(fā)電路由 一個(gè)集成 運(yùn)算 電路放大器 組成。 電阻 R1和 R2組成電壓檢測(cè)電路。 二極管 Dz1和 Dz2組成 反接保護(hù)電路 。 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器電路的工作原理及其過(guò)程 三只共陽(yáng)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(guò)控制電路為可控硅提供觸發(fā)電壓。 當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓較低（低于額定電壓 14V）時(shí)，信號(hào)檢測(cè)部分檢測(cè)到的信號(hào)電壓傳到電壓比較器與基準(zhǔn)電壓的輸出信號(hào)進(jìn)行比較。通過(guò)電壓比較器的比較將信號(hào)傳到集成運(yùn)算放大器。這是集成運(yùn)算放大器正向?qū)ǎ?可控硅的控制極獲得正向觸發(fā)電壓，可控硅開(kāi)始導(dǎo)通， 提高發(fā)電機(jī)輸出電壓。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓較高，超過(guò)設(shè)定電壓 14V 時(shí)，穩(wěn)壓器控制電路就使可控硅失去正向觸發(fā)電壓而截至，從而使輸出電壓下降，輸出電壓下降到低于 設(shè)定值 14V時(shí)， 可控硅被重新觸發(fā)導(dǎo)通，使發(fā)電機(jī)輸出電壓回升。如此反復(fù)，使發(fā)電機(jī)輸出電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)波動(dòng)。 4 性能試驗(yàn) 車(chē)用鋁鎳鈷永磁直流發(fā)電機(jī)為 l0極爪極式單相永磁同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)額定 電壓值 14V、 額定功率 1500W、 額定轉(zhuǎn)速 3000r min，選用鋁鎳鈷 5-2。其 Br=12500高斯 Hc= 650奧斯特