工程硕士学位论文-车用发电机的节能与多电压问题研究.doc
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1、单位代码 10635 学 号 2004001 工程硕士学位论文工程硕士学位论文 车用发电机的节能与多电压问题研究 论文作者: 指导教师:刘峰 专业领域:机电一体化 提交论文日期: 年 月 日 论文答辩日期: 年 月 日 学位授予单位:西南大学 中 国 重 庆 2008 年 3 月 论文目录论文目录 第 1 章文献综述4 1.1 车用发电机的发展概况4 1.1.1 车用电励磁硅整流交流发电机概述4 1.1.2 车用永磁发电机概述5 1.2 汽车电气系统升压问题概述8 1.2.1 汽车电气系统升压的原因与好处8 1.2.2 国内外关于汽车电气系统升压及多电压的研究概况8 第 2 章 引言9 2.1
2、 课题的背景和意义.9 2.2 本课题的研究难点10 2.3 本课题的研究设想11 2.3.1 本课题关于节能高效问题的研究设想11 2.3.2 本课题关于多电压输出问题的研究设想11 2.4 本课题的研究方法和手段12 2.4.1 围绕电机的基本参数 绕组电感的非线性问题,对三相永磁同步发电机的绕 组参数进行分析。12 2.4.2 高性能车用永磁发电机的开发。12 2.4.3 结合未来汽车供电系统的发展趋势,设计并实现多电压供电的恒压整流控制系 统。13 2.4 本课题的预期结果13 第 3 章车用永磁发电机的设计13 3.0 引言13 车用永磁发电机主要设计参数的确定14 3.1 转子的设
3、计15 3.1.1 车用永磁发电机转子磁路结构选择15 3.1.2 永磁体的确定18 3.1.3 永磁体极对数的确定20 3.1.4 发电机气隙长度的确定.22 3.2 车用永磁发电机定子的设计23 3.2.1 三相永磁同步发电机的基本电路方程.24 3.2.2 定子单相绕组的电感:.26 3.2.3 相邻相电流对相绕组自感的影晌.28 3.2.4 相绕组间的互感.31 3.2.5 车用永磁发电机高速运行时输出特性分析及优化措施.33 3.4 改善车用永磁发电机的冷却措施及磁场分析.36 3.5 改善车用永磁发电机的驱动方式.37 第 4 章永磁发电机电子稳压电路的设计37 4.0 引言.37
4、 4.1 永磁发电机特性分析37 4.2 目前永磁发电机电压的调节方法38 4.3 永磁发电机电压调节器的电路组成示意图39 4.4 基准电路和电路保护电路40 4.5 采样检测电路和比较电路40 4.6 触发电路40 4.7 发电机电压调节器电路及其工作过程40 4.7.1 电压调节器电路组成40 4.7.2 电压调节器电路的工作原理及其过程41 第 5 章 性能试验41 第 6 章 结论42 参考文献43 第第 1 1 章章 文献综述文献综述 发动机是利用燃料在气缸内燃烧所发出的热能,以气体作为工作介质,将热能转变为 机械能。发动机在完成能量转换时,必须经过进气、压缩、做功、排气四个过程,
5、即一个 工作循环才能完成。 试验表明,发动机中燃料燃烧所发出的热能,只有20%45%转化为 有效功,其余的热能随冷却介质、废气等从发动机排出,还有内部传动机构的在传递过程 中的损耗,这些损耗主要包括发动机内部运动件的摩擦损失,驱动附属机构(配气机构、 风扇、水泵、机油泵、发电机等)的消耗和泵气损失等机械损耗。如果按目前汽车工 业的发展趋势和能源消耗水准计算,地球上的能源储备只夠用上50年,所以汽车的经济节 能性是当前世界汽车工业发展面临的主要问题。 发电机作为汽车发动机的主要附属装置, 它要消耗发动机的输出功率,搞好发电机的节能问题研究,也可以说是对发动机节能走出 的重要一步。 1.1 车用发
6、电机的发展概况 汽车发电机的发展,大体上经历了三个阶段:直流发电机、电励磁三相交流发电机、三 相永磁交流发电机。最初,由于技术水平落后,交、直流电间的转换比较困难,而汽车上 的蓄电池要求直流充电,因此汽车上用的发电机都是直流发电机额定电压通常有6V、 12V和24V三种),所以在上世纪70年代以前,直流发电机曾一度占领了汽车发电机的主导地 位 。但直流发电机具有体积大、效率低、结构复杂、故障率高、不易维护等缺点,渐 渐不适应汽车发展的要求。 在上世纪70年代末、80年代初,直流发电机逐步被有刷和无刷的三相同步发电机代替, 其输出的三相交流电经硅整流器件变成需要的直流电(14V或28V)。这两种
7、结构的三相同步 发电机统称为电励磁硅整流交流发电机,这种发电机是目前国内、外汽车中普遍使用的发 电机。随着汽车技术的发展,现代汽车要求其发电机的容量越来越大,性能越来越高,然 而汽车为发电机提供的安装尺寸有限,因此要求其发电机必须具有功率密度大、高效节能 可靠性高、使用方便等特点,电励磁硅整流交流发电机已不能满足现代汽车高标准要求。 近年,随着稀土永磁电机的发展,再加上现代电力电子技术综合运用使永磁发电机的稳压 问题得到初步解决,为汽车发电机向大功率、小体积、高效、高可靠性方面发展提供了条 件。车用发电机,目前几乎全部采用传统的电励磁硅整流交流发电机,改用永磁发电机后 可显著提高其运行性能。据
8、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 具有 广阔的应用前景。 1.1.1 车用电励磁硅整流交流发电机概述 传统励磁硅整流交流发电机存在的问题:(1)目前硅整流发电机是通过电励磁绕组产 生磁场的,通过电励磁绕组的电能只有一部分转换为用于发电的磁能,部分电能由于励磁 绕组发热而消耗掉,而且转子的励磁绕组易烧毁、断线,必须由蓄电池提供励磁电流才能 发电,这样势必增加了汽车成本。(2)硅整流发电机一种是带有碳刷滑环结构,滑环直径 大、线速度高、碳刷容易磨损、故障率高,寿命短,运行寿命只有3000小
9、时。而每运行750 小时就需要更换碳刷进行保养,而且碳刷与滑环在摩擦接触时会降低发电机工作效率,由 于采用励磁线圈和碳刷滑环结构使发电机结构较复杂和体积增大。(3)由于采用碳刷滑环 结构,对环境的影响较大,并且由于碳刷磨擦会产生的无线电干扰,对其他用电器的工作 产生影响。(4)低速发电性能不好,发电容量小,功率密度低,对蓄电池影响较大。 目前硅整流交流发电机的改进措施:(1)改有电刷的励磁电路为无电刷电路,减少了 电刷和电刷环,避免炭刷的与电刷环的摩擦和接触不良,提高了汽车发电机的可靠性和工 作效率,然而增加了磁场气隙、漏磁大,电机的功率密度指标有所下降,使得电机的体积、 重量均有所增加,成本
10、增加。(2)改传统的六管整流电路为九管、八管或十一管整流电路, 提高输出功率,但这也只解决了发电机已输出功率的利用问题,本身效率并没提高。(3) 双“Y”绕组二整流桥串并联转换可以提高输出功率,由于采用接触器、单管功率管或双向 晶闸管控制两套定子三相绕组的串并联运行来提高发电机的效率, 由于接触器的机械寿命 和电寿命有限, 这种运用受限制,单管功率管的管压降较高使建压困难, 而且三相双向晶闸 管的控制线路复杂。(4)加装风扇或采用水冷改善散热,但增加体积及成本。 1.1.2 车用永磁发电机概述 车用永磁发电机,以其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
11、,提高了汽车电器系统的整体水平,促进我国汽车工业的技术 进步。因此,具有高效率、高性价比和高稳定性的永磁发电机将具有较高的理论研究价值 和广阔的应用推广前景,一些发达的国家投入了大量资金来研制永磁发电机。 1.1.2.11.1.2.1永磁发电机与硅整流发电机比较其具有的优点永磁发电机与硅整流发电机比较其具有的优点:(1)体积小、重量轻、比功率大、 效率高、能耗小、工作可靠;(2)低速供电性能好;(3)环境适应性强;(4)无蓄电池 也可发电,可延长蓄电池使用寿命。 1.1.2.21.1.2.2目前研制的永磁发电机主要类型:目前研制的永磁发电机主要类型:1)根据永磁发电机的结构不同分为内转子外定
12、子和内定子外转子式发电机;2)根据永磁体不同分为铁氧体、钕铁硼和稀土钴等永磁体发 电机;3)根据输出电压不同分为单电压输出和多电压输出永磁发电机。 1.1.2.31.1.2.3 国内外车用永磁发电机的研究与发展现状国内外车用永磁发电机的研究与发展现状 车用永磁式发电机目前在全世界范围内尚处于开发研究阶段,对该类发电机的设计和 研究需要进行不断的摸索和探索。当前,国外一些发达国家投入大量的资金开发永磁式交 流汽车发电机,并取得了积极成果,而且有少量豪华汽车上已试装了永磁发电机,但尚未 形成产业。由于国外具有先进的制造技术,因此他们在永磁式汽车发电机的结构选择上, 以制造工艺要求较严格的盘式结构为
13、主。在所检索到的文献中,国外在永磁式车用发电机 的研究开发方面,比较有代表性的主要有:德国Briitscbeidstr stuttgart大学研制的 (Modern Motorcar)Mechatronical Generator和英国Imperial Collegeof Scienceand Technology和The Turbo Genset Company联合研制的High Power Density AirCooled Automotive Generator。 英国Imperial College of Science and Technology 提出一种盘式结构发电机,该发 电
14、机最大特点是可以很容易根据不同的容量等级适当地增加转子盘的个数,仅增加发电机 的轴向长度,而不改变径向尺寸,类似火车加挂车厢一样。 该发电机具体的性能指标见表1.1所示 额定容量12KW55KW100KW 额定转速60000r/min 定子外径230mm230mm230mm 轴向全长110mm220mm310mm 全部重量3kg9kg13kg 效率80%左右 表1.1 多盘式结构车用永磁发电机的性能指标 日本公司新近开发研制出一款新型车用钕铁系永磁体发电机,利用磁 通控制方式成功地实现了即能将发电机的输出电压保持恒定又达到了较高的发电效率,并 且发电机还制作得十分小型化。这一控制方式的特征就在
15、于利用了空气具有相当于铁2000 倍的磁路电阻,由于在构成发电机的定子与磁通控制笼之间设置了空隙,从而通过增加减 这一空隙来控制永磁体之磁力增减。永磁体通过回转而提高电压,在回转下也有电压下降 的难点,但在高速回转下通过扩大空隙则可控制电压增高从而维持恒定的电压,因而实现 了高达90的发电效率。 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。九十年代中后期,国内外许多单 位也开始了对大功率永磁发电机进行开发研究。到目前已有沈阳工业大学、合肥工业大学、 芜湖电机厂、贵州机电学校、广西金宇公司以及芜湖职业技术学院等单位
16、在研制或开发汽 车用永磁发电机。尽管这些开发出的成果各具特色,但是不同程度上仍存在着一些问题, 如发电机的转子磁路结构、恒压整流问题,特别是高速运行时发热量大,温升高,效率低 等问题都有待进一步研究和完善。 国内开发的车用永磁发电机,比较有代表的是贵州机电学校、贵州省电子研究所和贵 州大学科技技术事业公司开发的爪极式结构车用永磁发电机,其具体技术性能指标如表1.2 所示。 型号 JFY133YJFY161ZJFY222 额定电压VUN/ 14.200.5280.3 额定电流AIN/ 366526 零电流转速/(r. min-1) 0 n 1000 零高工作转速/(r. min-1) M n 1
17、0000 额定工作转速/(r. min-1) n N 35005000 表1.2 爪极式结构车用永磁发电机的性能指标 因为爪极式结构本身的特点,决定了开发的该种结构的车用发电机效率比较低,发电 机的平均效率仅为45左右,即使在1800r/min左右时效率达到最大值也仅为6265%,这 个数值相对于现代其它场合的发电机来说是非常低的,不符合当今节能的要求,更体现不 出永磁发电机高效节能的特点,需要进一步采取措施提高发电机的效率。表1.3列出了国内 外相近规格发电机的技术性能数据。 型号电压 (V) 容量 (VA) 电流 (A) 额定转速 (r/min) 功率密度 (W/kg) 最高转速 (r/m
18、in) JF11143502530008000 JF13T14500360, 0绕组磁动势与永磁磁动势作用方向一致,绕组磁路比单独 a i 永磁磁动势作用时更饱和,绕组电感便更小一些;0, 时,绕组磁动势与永磁磁 a i 动势作用的方向相反,绕组磁路比单独永磁磁动势作用时不饱和一些,绕组的电感将有所 增大。0, /2时,永磁磁动势作用的方向与绕组磁路轴线正交,仅有绕组磁动 a i 势作用时,绕组磁路一般较不饱和,所以绕组电感的值接近于其不饱和值。随着电流的增 长,该基波分量的幅值也增加;绕组电流为零时,其幅值为零:绕组电流反向时,基波分量 也反向。不计高次谐波分量的影响时,相绕组的自感可用下式
19、表示: 2coscos 210aaaaaaaa llll 是绕组电流的函数,在一定电流范围内可用与电流成线性关系的表达式来表示: 1aa l aaaaa ikl 11 和也在一定程度上受的影响,与成一定的函数关系,当= 0时 和 0aa l 2aa l a i a i a i 0aa l 的值达到最大,随着正向增大或负向增大时都稍有下降,近似地可以用的线性函 2aa l a i a i 数表示: aaaaaaa ikll 000 aaaaaaa ikll 222 3.2.3 相邻相电流对相绕组自感的影晌 在非线性的磁系统内,相邻相绕组电流的存在也影响本相绕组磁路的磁状态对自感的 值产生影响。前
20、面分析了相绕组电感在0时的情况,因此它受永磁磁动势和相绕组 b i c i 电流的影响,成为和的复杂函数,经分析和适当简化后得出了较为简明的表达式, a i 和 不为零的情况下,将是、和四个变量的函数,下面对此分别进行讨论, b i c i a i b i c i 为使结论更具一般性。在下面的讨论中,电机中各相的电流没有相互的制约关系,即、 a i 、三者的矢量和并不一定等于零。 b i c i 令的情况,产生b轴方向的磁动势,产生C轴方向的磁动势。时, 二 b i c i b i c i b i c i 者合成的磁动势恰与A相绕组的轴线相一致,0 时,二者合成磁动势的方向在a轴的 b i c
21、 i 反方向,其对磁路磁动势的影响相当于A相正向电流减小为, a i cbacbaa iiiiiii 2 1 240cos120cos 0 时,二者合成磁动势的方向与a轴方向一致,如图3.14所示,它的作用应相当于A b i c i 相正向电流的增大,这与上式所表述的相一致。 图3.14 时相量图 b i c i b i c i 可见,这时A相绕组自感的表达式仍保持形式不变,只是 0时的式中的电流 b i c i 要用来代替,改写为: a i a i aaaaaaa ikll 000 aaaaa ikl 11 aaaaaaa ikll 222 在式中,是把和产生的a轴方向的磁动势与产生的磁动势
22、等效看待,实际上 b i c i a i 和产生的a轴磁动势,对a轴磁路状态的影响还是与A相绕组产生的磁动势有一定的差别, b i c i 至少它产生的漏磁通分散在B相绕组和C相绕组的周围,与A相绕组的漏磁路径不完全一致。 因此和产生产生的a轴磁动势,等效为产生的磁动势时应加上一个小于1的差别系数 b i c i a i k1,相应地式应改为: cb k aa iiii 2 1 令的情况,这时B和C相合成磁动势的方向与a轴正交,如图3.15所示。 从图 b i c i 中可以看出,这种情况对A相绕组电感值的影响较小,但通过对试验结果的分析,得知对二 次谐波分量的幅值有一定的影响。正交分量磁动势
23、增大时, 二次谐波分量幅值()下降, 2aa l 与正交分量的方向无关,在一定范围内可以用线性关系来表示。正交分量磁动势正比于, cbcba iiiii 2 3 240sin120sin 图3.15 时相量图 b i c i 从而,A相电感的二次谐波分量幅值可以表示为: aaaaaaaa ikikll 2222 和为任意值。上面分析了两种特殊的情况,即和 仅产生a轴同方向磁动势, b i c i b i c i 和仅产生a轴正交方向磁动势的情况。在一般情况下,和既产生同方向 也产生交轴方 b i c i 向的磁动势。同方向的归并同一起,用等效电流来考虑;正交方向的用另一个等效电 a i a i
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