新型混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)的研究.pdf

1、車輛發(fā)電機(jī)是車輛電氣設(shè)備的主要電源，它不僅要為點(diǎn)火系統(tǒng)及其它用電設(shè)備提供電能，還要向蓄電池充電。
　　 目前，車輛上使用的發(fā)電機(jī)主要是電勵磁有刷爪極發(fā)電機(jī)，這是因?yàn)殡妱畲庞兴⒆O發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、成本低、勵磁調(diào)節(jié)方便。電勵磁有刷爪極發(fā)電機(jī)通過調(diào)節(jié)勵磁電流可以方便地調(diào)節(jié)氣隙磁場，但是電勵磁爪極發(fā)電機(jī)存在極間漏磁大、功率密度低、勵磁損耗大、電機(jī)效率低等缺陷，且采用電刷-滑環(huán)結(jié)構(gòu)，可靠性不高。
　　 隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展

2、，城市車輛保有量逐漸增大，城市的交通擁堵，車輛行駛緩慢，車輛發(fā)電機(jī)的輸出電壓和輸出功率達(dá)不到額定值，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)既不能為蓄電池充電，也不能向點(diǎn)火系統(tǒng)及其他車載設(shè)備供電。與此同時，人們對車輛舒適性的要求越來越高，車輛附屬的設(shè)備越來越多，使車輛的用電量大大增加，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)常常處于過載運(yùn)行，使發(fā)電機(jī)過熱，影響使用壽命。為了克服這些缺點(diǎn)可以采用功率高的發(fā)電機(jī)，但是由于車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常緊湊，留給發(fā)電機(jī)的安裝空間很小，基于上述原因，如何在不減

3、少功率的基礎(chǔ)上縮小其體積或者在原有的基座型號上研制一種高功率密度的新型發(fā)電機(jī)顯得越來越重要。
　　 永磁發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、比功率大、效率高和可靠性高的特點(diǎn)，但由于車輛發(fā)電機(jī)在正常工作時是變頻、變速、變負(fù)載的工況，由于永磁電機(jī)勵磁無法調(diào)節(jié)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，必須進(jìn)行弱磁控制保持電樞電動勢的平衡。傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)通過增加直軸電流，利用電樞反應(yīng)的去磁作用實(shí)現(xiàn)氣隙磁場的減弱，這種方法在拓寬轉(zhuǎn)速范圍的同時導(dǎo)致銅耗增加，使系統(tǒng)的效率下降

4、，并且過大的直軸電流會引起永磁體的不可逆退磁。此外，逆變器的電壓和電流也是有限的。因此永磁發(fā)電機(jī)難以滿足車輛發(fā)電機(jī)變速、變負(fù)載、電壓恒定的要求。
　　 混合勵磁發(fā)電機(jī)，采用了永磁勵磁和電勵磁相結(jié)合的勵磁方式，解決了永磁發(fā)電機(jī)磁通不可調(diào)的缺點(diǎn)，通過勵磁電流的調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速及負(fù)載變化范圍內(nèi)，輸出恒定電壓的技術(shù)要求。
　　 車輛用混合勵磁爪極發(fā)電機(jī)是一種新型結(jié)構(gòu)電機(jī)，它采用電勵磁和永磁勵磁相結(jié)合的勵磁方式，與傳統(tǒng)的

5、電勵磁爪極發(fā)電機(jī)相比，具有低速性能好、輸出性能較好、效率較高等優(yōu)點(diǎn)。本文針對目前混合勵磁爪極發(fā)電機(jī)的不足，提出了新型的混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)，采用三維有限元法并對該電機(jī)的磁場進(jìn)行了分析計(jì)算，建立該電機(jī)的改進(jìn)等效磁網(wǎng)絡(luò)模型，利用該模型對電機(jī)的輸出性能進(jìn)行了計(jì)算，最后進(jìn)行了樣機(jī)的試制及試驗(yàn)，為該電機(jī)的進(jìn)一步深入研究和開發(fā)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　 論文的研究內(nèi)容主要有以下幾個方面:
　　 1、提出了一種新型的并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的混合勵磁

6、無刷爪極發(fā)電機(jī)。新型混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)的兩個爪極焊接在一起，一個跟軸相連，另一個的極掌部分有較大的內(nèi)孔，勵磁支架固定在端蓋上，上面繞有勵磁繞組，繞組和支架伸入爪極內(nèi)。爪之間的間隙數(shù)與極數(shù)相等，一半的間隙用于將兩個爪極焊接在一起（采用非導(dǎo)磁材料），另一半用于放置梯形柱形的永磁體。新型混合勵磁爪極發(fā)電機(jī)結(jié)合了電勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)和并聯(lián)式混合勵磁有刷爪極發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，在不增大勵磁電流的情況下增大了氣隙磁密，減少了勵磁損耗，提高了電機(jī)的功率

7、密度，改善了電機(jī)的低速發(fā)電性能。同時，勵磁繞組靜止不動，無電刷-滑環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無刷化，提高了發(fā)電機(jī)工作的可靠性。
　　 2、新型混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)的爪極形狀不規(guī)則，電機(jī)磁場分布復(fù)雜，是典型的三維場，其設(shè)計(jì)和分析有一定的難度。本文采用Ansoft/Maxwell3D有限元分析軟件對混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)的性能進(jìn)行了分析。首先，基于Ansoft/Maxwell3D的三維靜磁場仿真平臺，建立了新型混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)的一對極有

8、限元分析模型，分析了新型混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)的磁場分布特點(diǎn);之后，基于Ansoft/Maxwell3D的三維瞬態(tài)場仿真平臺，首先建立了新型混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)的三維瞬態(tài)場時步有限元分析模型，然后添加電機(jī)的整流輸出電路，將它們作為一個整體進(jìn)行分析，利用該模型，得到了混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性曲線。
　　 3、建立了考慮磁場三維分布的電機(jī)改進(jìn)等效磁網(wǎng)絡(luò)模型。新型混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)的磁場是典型的三維場，本文對傳統(tǒng)的等效磁

9、網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了改進(jìn)，建立考慮磁場三維分布的改進(jìn)等效磁網(wǎng)絡(luò)模型，詳細(xì)說明了建模過程中勵磁磁動勢、電機(jī)磁導(dǎo)的計(jì)算問題，采用該模型對電機(jī)空載磁場分布進(jìn)行了分析，同時，利用該模型對電機(jī)的負(fù)載特性進(jìn)行了計(jì)算，為爪極電機(jī)的磁場分析提供了一種新的行之有效的計(jì)算手段。
　　 4、設(shè)計(jì)制造了一臺12kW、28V樣機(jī)，并進(jìn)行了樣機(jī)的性能試驗(yàn)，結(jié)果顯示電機(jī)的性能良好。
　　 5、提出了兩種特殊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的混合勵磁無刷爪極發(fā)電機(jī)，并對這兩種發(fā)電機(jī)