新型混合勵磁無刷爪極發(fā)電機的研究.pdf

1、車輛發(fā)電機是車輛電氣設備的主要電源，它不僅要為點火系統(tǒng)及其它用電設備提供電能，還要向蓄電池充電。
　　 目前，車輛上使用的發(fā)電機主要是電勵磁有刷爪極發(fā)電機，這是因為電勵磁有刷爪極發(fā)電機的結構簡單、成本低、勵磁調節(jié)方便。電勵磁有刷爪極發(fā)電機通過調節(jié)勵磁電流可以方便地調節(jié)氣隙磁場，但是電勵磁爪極發(fā)電機存在極間漏磁大、功率密度低、勵磁損耗大、電機效率低等缺陷，且采用電刷-滑環(huán)結構，可靠性不高。
　　 隨著我國社會經濟的不斷發(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)電機的輸出電壓和輸出功率達不到額定值，從而導致發(fā)電機既不能為蓄電池充電，也不能向點火系統(tǒng)及其他車載設備供電。與此同時，人們對車輛舒適性的要求越來越高，車輛附屬的設備越來越多，使車輛的用電量大大增加，從而導致發(fā)電機常常處于過載運行，使發(fā)電機過熱，影響使用壽命。為了克服這些缺點可以采用功率高的發(fā)電機，但是由于車輛內部結構非常緊湊，留給發(fā)電機的安裝空間很小，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)電機顯得越來越重要。
　　 永磁發(fā)電機具有結構簡單、比功率大、效率高和可靠性高的特點，但由于車輛發(fā)電機在正常工作時是變頻、變速、變負載的工況，由于永磁電機勵磁無法調節(jié)，隨著電機轉速的增加，必須進行弱磁控制保持電樞電動勢的平衡。傳統(tǒng)永磁同步電機通過增加直軸電流，利用電樞反應的去磁作用實現氣隙磁場的減弱，這種方法在拓寬轉速范圍的同時導致銅耗增加，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)電機難以滿足車輛發(fā)電機變速、變負載、電壓恒定的要求。
　　 混合勵磁發(fā)電機，采用了永磁勵磁和電勵磁相結合的勵磁方式，解決了永磁發(fā)電機磁通不可調的缺點，通過勵磁電流的調節(jié)，可以實現發(fā)電機在轉速及負載變化范圍內，輸出恒定電壓的技術要求。
　　 車輛用混合勵磁爪極發(fā)電機是一種新型結構電機，它采用電勵磁和永磁勵磁相結合的勵磁方式，與傳統(tǒng)的

5、電勵磁爪極發(fā)電機相比，具有低速性能好、輸出性能較好、效率較高等優(yōu)點。本文針對目前混合勵磁爪極發(fā)電機的不足，提出了新型的混合勵磁無刷爪極發(fā)電機，采用三維有限元法并對該電機的磁場進行了分析計算，建立該電機的改進等效磁網絡模型，利用該模型對電機的輸出性能進行了計算，最后進行了樣機的試制及試驗，為該電機的進一步深入研究和開發(fā)應用奠定了基礎。
　　 論文的研究內容主要有以下幾個方面:
　　 1、提出了一種新型的并聯(lián)式結構的混合勵磁

6、無刷爪極發(fā)電機。新型混合勵磁無刷爪極發(fā)電機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。爪之間的間隙數與極數相等，一半的間隙用于將兩個爪極焊接在一起（采用非導磁材料），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)電機結合了電勵磁無刷爪極發(fā)電機和并聯(lián)式混合勵磁有刷爪極發(fā)電機的優(yōu)點，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，提高了電機的功率

7、密度，改善了電機的低速發(fā)電性能。同時，勵磁繞組靜止不動，無電刷-滑環(huán)結構，實現了無刷化，提高了發(fā)電機工作的可靠性。
　　 2、新型混合勵磁無刷爪極發(fā)電機的爪極形狀不規(guī)則，電機磁場分布復雜，是典型的三維場，其設計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)電機的性能進行了分析。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)電機的磁場分布特點;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)電機的三維瞬態(tài)場時步有限元分析模型，然后添加電機的整流輸出電路，將它們作為一個整體進行分析，利用該模型，得到了混合勵磁無刷爪極發(fā)電機的負載特性曲線。
　　 3、建立了考慮磁場三維分布的電機改進等效磁網絡模型。新型混合勵磁無刷爪極發(fā)電機的磁場是典型的三維場，本文對傳統(tǒng)的等效磁

9、網絡模型進行了改進，建立考慮磁場三維分布的改進等效磁網絡模型，詳細說明了建模過程中勵磁磁動勢、電機磁導的計算問題，采用該模型對電機空載磁場分布進行了分析，同時，利用該模型對電機的負載特性進行了計算，為爪極電機的磁場分析提供了一種新的行之有效的計算手段。
　　 4、設計制造了一臺12kW、28V樣機，并進行了樣機的性能試驗，結果顯示電機的性能良好。
　　 5、提出了兩種特殊轉子結構的混合勵磁無刷爪極發(fā)電機，并對這兩種發(fā)電機