42 V汽車用永磁發電機的電磁設計

倪有源，李 偉，鮑曉華，姜文東

(1.合肥工業大學，安徽合肥 230009;2.安徽合力股份有限公司，安徽合肥 230022)

0 引 言

最近幾十年汽車用發電機一直采用爪極發電機，爪極發電機是電勵磁發電機。爪極發電機由于結構簡單、制造容易、價格低等因素，廣泛應用于汽車中。隨著現代汽車內電負載的日益增長，對汽車電氣系統的需求也相應增長。未來汽車發電機功率將逐漸增大。傳統的爪極發電機輸出功率一般小于2 kW，而且效率低。因此需要設計功率較大、性價比高的新型發電機。要增加功率，只單獨增加電流等級是不行的，因為電流越大，發熱越嚴重，損耗也越大。因此傳統的爪極發電機不能滿足日益增長的功率和效率要求，將不再是理想的選擇。

與電勵磁發電機比較，永磁發電機具有不需要提供電勵磁、體積小、重量輕、效率高、壽命長、性價比高等優點，將可能代替傳統的爪極發電機，成為汽車用發電機的首選。與同功率發電機相比，永磁發電機延長了軸承的使用壽命，避免了電勵磁發電機的勵磁繞組易燒毀、短路、斷線等問題。因此永磁同步發電機可應用于汽車上，而42 V是很好的電壓等級，分析研究42 V汽車用永磁發電機具有重要的意義和工程應用價值。

近年來國內外對汽車用永磁同步發電機的研究十分活躍［1－10］。文獻［1－2］提出雙定子外轉子結構永磁電機，具有發電和起動發動機兩種功能，可以用于汽車或混合動力汽車中。文獻［3］給出一臺1.5 kVA永磁發電機的設計結果，但并沒有給出設計過程。文獻［4］給出一臺汽車用混合勵磁發電機的優化設計結果。混合勵磁發電機雖然可以通過調節勵磁電流調節輸出電壓，但混合勵磁的結構和磁路都過于復雜，不易推廣應用。文獻［5］設計一臺6 kW內轉子結構的汽車用永磁發電機，但其結構比較復雜，制造工藝復雜，也不易推廣應用。文獻［6－7］提出一種新型結構的混合勵磁發電機，用于混合電動汽車中，但其結構也過于復雜。文獻［8］采用有限元方法分析電樞反應和氣隙磁導對切向式永磁發電機轉子渦流損耗的影響。

但是國內外對于汽車用永磁發電機的電磁設計研究卻比較匱乏。有限元方法雖然計算精確，但計算費時。和有限元方法相比，等效磁路方法具有計算時間短的優點。本文采用等效磁路方法設計一臺42 V汽車用永磁發電機，分析研究了發電機主要尺寸、極弧系數以及定子繞組設計等電磁設計過程，得到了一臺汽車用永磁發電機的設計結果。并在此基礎上，進一步分析研究該電機，得到功角關系曲線、功率與效率的關系曲線、極對數與效率的關系曲線、氣隙與效率的關系曲線等。電機結構簡單，便于生產制造，并解決了電磁設計中的一些問題。本文對汽車用永磁發電機的電磁設計、參數計算和優化設計等提供了一定的理論參考。

1 汽車用永磁發電機的結構和工作原理

汽車用永磁同步發電機的結構包括定子、轉子和端蓋等。為減小鐵耗，定子采用疊片結構。永磁同步發電機與其它發電機最主要的區別是轉子磁路結構［11］。汽車用永磁同步發電機轉子磁路結構主要有以下四種結構:切向式轉子結構、徑向式轉子結構、混合式轉子結構和軸向式轉子結構。汽車用永磁同步發電機的勵磁由永磁體提供。電機電樞反應的性質由電樞磁動勢基波Fa與勵磁磁動勢基波Ff1的空間相對位置決定。電樞磁動勢基波Fa包括直軸和交軸兩個分量，氣隙合成磁動勢為Fδ=Ff1+Fa，永磁同步發電機端電壓隨氣隙合成磁動勢的變化而變化。當負載發生變化時，引起發電機輸出的端電壓變化，由于永磁體提供的勵磁無法調節，所以不能保證發電機輸出的端電壓恒定，這與電勵磁同步發電機明顯不同。

2 汽車用永磁發電機的電磁設計

2.1 永磁發電機的主要性能指標和額定數據

設計一臺汽車用永磁同步發電機時應滿足規定的各項技術要求，效率η、功率因數cosφ、固有電壓調整率Δu等各項主要性能應達到一定指標［11］。

汽車用永磁同步發電機的設計要求中通常給出下列額定數據:額定容量PN;電機相數m;額定相電壓UN;額定效率ηN;額定頻率f;固有電壓調整率ΔuN;冷卻方式等。

2.2 電機尺寸的確定

圖1 汽車用永磁同步發電機模型

圖2 永磁發電機等效磁路

設計的永磁發電機模型如圖1所示，為徑向式轉子結構。圖2為永磁發電機一對極的等效磁路。圖中，Φr和Rm為一對極下永磁體等效為一個恒定磁通源和一個磁阻的并聯;Fm和Φm分別為對外表現的磁動勢和磁通;Φδ和Rδ分別為主磁路的主磁通和磁阻;Φσ和Rσ分別為漏磁路的漏磁通和漏磁阻;Fad為直軸電樞反應磁動勢。

(1)電磁負荷的選擇

當電機的容量和轉速一定時，電機的主要尺寸取決于電磁負荷。永磁式和電磁式一樣，提高線負荷A、氣隙磁密Bδ能增加電機輸出或減小電機體積。但是線負荷A受到電機發熱和工作特性的限制，而氣隙磁密則受到磁鐵特性和磁路參數的限制。同時，比值A/Bδ影響到發電機的電壓調整率和短路電流倍數。設計中，A和Bδ的參考數據如下:線負荷A 為10～20 A/cm;氣隙磁密Bδ為0.65～0.8 T。

(3)主要尺寸比的選擇

(4)主要尺寸的確定

2.3 永磁材料的選擇及永磁體尺寸的確定

(1)永磁材料的選擇

永磁同步發電機通常采用釹鐵硼或鐵氧體永磁，優點是氣隙磁密高、功率密度高、體積小質量輕。但永磁體的溫度系數較高，輸出電壓隨環境變化而變化，導致輸出電壓偏離額定電壓，且難以調節。

具體選用時，應從工藝、成本等多方面分析后確定選用何種永磁材料。在永磁同步發電機的設計中，選擇的永磁材料為XGS－200;通過查表得到其剩余磁通密度為1.04 T，計算矯頑力為774 kA/m。

(2)永磁體尺寸的確定

設計中永磁體軸向長度一般取等于或略小于電機鐵心軸向長度，因此只需設計永磁體尺寸的另外兩個參數:磁化方向長度hM和寬度。

永磁體磁化方向長度hM是決定直軸電抗Xad的一個重要因素，所以hM的確定應使Xad合理;同時hM不能過薄，過薄容易造成永磁體生產的廢品率上升，且永磁體不易運輸，易于退磁。對于徑向式轉子磁路結構永磁體磁化方向長度的估算公式:

式中:Ks是電機飽和系數，一般取1.05～1.3;Kα與轉子結構有關，一般取0.7～1.2;bm0為預估電機永磁體空載工作點，初取值為0.8;σ0為預估電機空載漏磁系數，初取值為1.2。

永磁體寬度bM決定永磁體能夠提供磁通的面積，其估算公式:

在設計中，取永磁體的軸向長度LM=L1。

對于徑向轉子結構，永磁體的每極截面積為AM=hMbM;每對極磁化方向長度hMp=2hM。永磁體的體積Vm=pAMhMp，其中p為極對數。永磁體質量mm=ρVm×10－3，其中 ρ=8.1 g/cm3。

2.4 氣隙的選擇

選擇氣隙δ時應考慮到發電機的過載能力、靜態和動態穩定性以及電機的經濟性，增加δ時能提高電機的過載能力和穩定性;但是勵磁功率增加，電機的經濟性較差。除此之外，還應考慮到磁鐵的利用程度，從最佳利用磁鐵出發，應盡量提高有效磁導，即盡量減小空氣隙。但是氣隙的最小值受到機械條件的限制，一般取δ=0.5～2 mm。

本設計中預取空氣隙長度δ1=0.5mm，非磁性材料套環的厚度Δ=1.5 mm，所以氣隙長度δ=δ1+Δ=2 mm。

2.5 極弧系數的確定

極弧系數αp為極弧長度與極距的比值，增大αp能使有效磁通增加，但也擴大了橫軸電樞反應的作用，加深了氣隙磁場的畸變;過大的αp值使磁鐵的工作點下降，因此極弧系數不能過大。在本設計中取 αp=0.8。

2.6 轉子結構尺寸

2.7 定子繞組和定子沖片的設計

(1)定子繞組的設計

在完成每極每相槽數q的選擇、繞組型式的選擇、繞組節距y和斜槽寬度的選擇、繞組因數的計算等之后，定子繞組設計也就完成了。

(2)定子沖片的設計

在永磁同步發電機中通常采用梨形槽和梯形槽，屬于半閉口槽。這種槽型可以減少鐵心表面損耗和齒內脈振損耗，并使有效氣隙長度減小，改善功率因數。其中梨形槽比梯形槽的槽面積利用率高，沖模壽命長，而且槽絕緣的彎曲程度小，不易損傷。所以本設計中使用梨形槽。計算槽面積、槽絕緣所占面積可得槽的有效面積，可進一步計算得到槽滿率。

2.8 磁路計算

計算總漏磁導、交軸電樞反應電抗、交軸同步電抗、內功率因數角、每極直軸電樞磁動勢等參數，確定永磁體負載工作點。

2.9 電壓調整率和短路電流計算

短路電流倍數:

2.10 損耗和效率計算

永磁發電機整個電磁設計流程圖如圖3所示，流程圖中包括幾個迭代過程，只有當計算值與理想值的誤差小于設定值時，迭代中止。

圖3 永磁發電機電磁設計流程圖

3 電機設計結果

根據汽車用永磁同步發電機的電磁設計過程，利用MATLAB軟件編寫汽車用永磁同步發電機的設計程序，程序中涉及到槽滿率、電壓調整率以及效率等幾個循環，直到各參數都滿足設計要求為止。以下給出設計結果。

(1)永磁同步發電機設計結果

汽車用永磁發電機的設計要求:額定容量SN=2.5 kVA;電機相數 m=3;額定相電壓 UN=17.898 V;額定效率ηN=90%;額定頻率f=50 Hz;固有電壓調整率ΔuN=10%。

運行程序得到設計結果。表1列出了電機主要尺寸設計結果，電機為內轉子結構，永磁體的磁化方向為徑向。表2列出了電機主要性能參數計算結果。由表中數據可知，設計結果基本滿足設計要求。

表1 電機主要尺寸設計結果

表2 電機主要性能參數

(2)永磁發電機的功角特性曲線

當發電機的勵磁電動勢E0和端電壓U保持不變時，發電機的電磁功率Pe與功角δ之間的關系Pe=f(δ)，稱為功角特性。其表達式:

式中:右邊第一項Pe1稱為基本電磁功率;第二項Pe2稱為附加電磁功率;其功角特性如圖4所示。由圖4可知，當0°≤δ≤180°，電磁功率 Pe為正值，電機處于發電機狀態;當－180°≤δ≤0°，電磁功率Pe為負值，電機處于電動機狀態。

(3)發電機的效率與功率關系

在改變永磁同步發電機的功率PN的情況下，運行程序，得到各個額定功率下的效率值，如圖5所示。由圖5可知，當所要設計的功率上升時，設計的永磁同步發電機效率略微上升。

圖4 發電機功角特性曲線

圖5 發電機功率與效率的關系

(4)發電機的極對數與效率關系

當設計要求中的額定功率不變，改變永磁同步發電機的額定轉速，即改變電機的極對數p。以2.5 kVA的發電機為例，改變電機的極對數，得到極對數p與效率的關系，如圖6所示。由圖6可知，當設計要求中的額定轉速減小而其它要求不變時，設計的電機效率將會略微下降。

(5)發電機氣隙長度和效率的關系

圖7為汽車用永磁發電機氣隙長度和效率的關系曲線。當發電機的氣隙增大時，電機內部的漏磁增大，由等效磁路可知，磁路中磁阻增大，電機發熱、效率減小。但由于制造工藝的約束，氣隙長度并不能取得很小。

圖6 發電機的極對數與效率關系曲線

圖7 氣隙長度與電機效率曲線

4 結 論

本文分析研究了42 V汽車用永磁發電機具有重要的意義和工程應用價值。等效磁路方法具有計算時間短的優點。在分析永磁同步發電機設計方法的基礎上，考慮到汽車用發電機的發展趨勢，采用等效磁路方法計算得到一臺42 V汽車用永磁同步發電機的設計結果。并在此基礎上，進一步分析研究該電機，得到電機的功角特性曲線、效率與功率的關系曲線、極對數與效率的關系曲線、氣隙長度與效率的關系曲線等。效率隨著功率增加而增加，效率隨著極對數增加而減小，效率隨著氣隙長度與增加而減小。由設計結果可知，通過增加永磁體的尺寸、或者增加發電機的功率，或者減小發電機的極對數等方式都可以提高發電機的效率。本文對于小功率永磁發電機的電磁設計、參數計算和優化設計等具有一定的理論參考價值。

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