摘要：介绍一种新型汽车交流发电机,其转子采用永磁式结构,去掉了电刷滑环、激磁绕组及爪极,采用电压调节器与三相半控桥式整流电路相配合的整流恒压线 路。永磁材料为第四代超强永磁—钦铁硼永磁。所研制的样机符合有关标准要 求,与一般汽车交流发电机相比,具有比功大、效率高、寿命长等特点。
现 代 科 学 技 术 的 进 步,使 得 汽车 自动化 程 度 不断提高,用电量也 不 断增加,汽 车发 电机 的功率 相应 增加。但 由 于 受 到汽 车 内 空 间 和 整 车 重 量 的 约 束,在 增加 功 率的 同 时,发 电机的重 量 和 体 积 不 能增加太多。
因 而,要 求 汽 车发 电 机 向 着 高 转速、大 比 功的方 向发展。
目 前,受 到原材料 和 制造工 艺 的 限制,国 产 汽 车交 流 发 电 机 在 比 功与使 用 寿 命 上 同进 口 产 品 相 比 还 存在着 一 定的 差 距。据调 查,国 产 汽 车交 流 发电 机 损 坏的 主 要原 因 在 于 电刷、滑环、轴 承 磨 损,激 磁 绕 组易 断路、短 路,整流 元 件 损 坏。而且 由 于 爪极式 轴 向激 磁的漏 磁 较大,
导致 激磁功率增加,用铜量增 加。这 都限制 了 汽车交 流 发 电机 的 比 功和使用 寿 命 的 提高。进口 汽 车 交 流 发 电 机 损坏之后,一 般很 难 用 国产 交 流 发电机替换。为 了 解决这 一 问 题,国 内 已 研制 出 进 口 汽车 国 产 化 的 大功率 交流发 电机。
本 文 介 绍一 种 无 刷永 磁 汽 车 交 流 发 电机。其 转子采 用 永 磁式 结构,去掉 了 电刷、滑环、激 磁 绕 组及爪极。永 磁 材料采 用 第 四 代 超 强 永磁 — 钦 铁 硼 永磁( N d Fe B),大 大 提高 了磁 负荷,并研制 了相应 的整 流恒 压 线 路。该交 流 发 电机 具 有结 构 简单、可靠 性 高、使用寿 命 长、效率高、节 能、工 艺 容 易实现、节 约原 材 料、比 功 大 等 特点。
1、电 压 控制 原理
正 常 运 行 时,汽 车 发 动机 是 一 个变速 运 行 机构,相 应 地 被 拖动 的 汽 车 交 流 发 电 机的转速 也 在很大范 围内 变 化。根据 电 磁 感应 原 理,其输出 交 流 电势为：
E=Kφn
式中 E—交 流 感应 电势,V
K—系数
φ—气 隙 磁 通,W b
n—转速,r/min
即 感 应 电势与 转 速 成 正 比。因此,经 整 流后 的直 流 电压也 随转速 而 变 化。因汽 车 蓄 电 池及 用 电 设 备 要 求 的电 压 是 恒定的,为 了 在 转 速变 化 时 输 出 电 压 不 变,目 前所使 用 的 交 流 发 电 机是通 过 电 压 调 节 器 触点 的 周期 性通断 或 晶 体管 的 导 通截 止 来控制 激磁 电 流 变 化,即 气隙磁通巾变 化,使输 出 电 压 的 平均 值保 持 恒 定。
所 研制 的无 刷永磁 汽 车交 流 发 电 机 的 定子 上 安 装有 三 相 交流 绕 组,与 交 流 发 电 机 相同。但转 子 采 用 永磁 结 构,在 电机 制 成 之 后,所产 生 的 磁 通中 基 本是 不变 的,或 者是 不 可 调 的。因此,上 述的交 流 发 电机 的 电压 控制 原理 在 此失去 作 用。
为 了 解 决 这 一 问 题,采 用了 电 压 调节 器 与三相半控 桥 式 整 流 电路相配 合 的技 术 方 案,其原理 组 成 电路如图1 所 示。由 三 只 共 阳 极的 硅 二 极管D1、D2 、D3与三 只 共 阴 极 的 晶 闸 管 SCR1、SCR2、SCR3组 成 三 相 半控 桥式整 流 电路。另 外由D,1~D6 。组成三相 全波 整 流电路,为晶 闸 管 控 制 板提供触发电 压 用,与 电 压 调节 器的一 个触点相 接,另一 个 触 点 则 与 晶 闸管 的控制极 相连。电 压 调节器 的线圈并 接 在 三相 半 控 桥 的 输 出 端。其 电压控制 原 理为:
当 交流 发 电机 的转 速较低时,电压调 节 器 的触点K闭合,晶 闸 管的控 制 极获得 正 向触发 电 压,晶 闸管相 当 于 二 极管 的作用。在 转 速达 到一定 值后,整 流 桥可 向蓄电 池 与负载R提供三相 全波整 流 电 压。随 着 交流 发电机 转 速 升高,整 流 输 出 电压 亦随 之 增 大,如 图2 中的 实 线所 示。当 整流 输 出 电压 超过额定 电 压 达 到U2值 时,电 压 调 节 器 线 圈 中的电 流增 大,产生 的 吸 力使 触点K断 开,晶 闸 管 的 控制极失去 正 向 触发 电 压,呈 阻 断 状 态,
因 而整 流 输 出 电 压开 始 下 降,如 图2中的 虚 线 所 示。当 整 流 电 压 降 到 U1( 低 于 额 定 电 压 ) 时,电 压 调节 器 线 圈 中的 电流 减 小,吸 力 下 降,触 点 闭合,三 只 晶闸 管 重 新 获 得正 向 触发 电 压,使 整 流 电 压开 始 回 升。如 此 反 复,就 可 使 整流 电 压的 平均 值UP控制在额定电压附近 的较小范围内。
2、永磁材 料 特性 与 转 子 结构
永 磁 材 料的 技 术特 性与 退 磁 曲线的形状,对 电 机的性 能、外形尺寸、
运 行 可 靠 性 等有 多 方 面的 影 响,是设计 和 制 造 永 磁 电机时需 要 考 虑 的 十 分 重 要 的 参数。对 于不同 情 况、不 同 的 场合,应 用不同的 结构 形式和 永磁 材 料,这样 可 以 使 各方 面 得 到 合理 的配 合。为 了便 于 比 较,附 表 列 出了几 种 典 型 永 磁 材 料 的 技 术 指标,图3 示 出了 这 几 种永磁材料 的退 磁 曲 线。
可 见,铰 铁 硼 永磁 的 磁性 能 十 分 优 异,剩磁 和 矫顽 力 都 非 常 高,且退磁 曲线 为 直 线,回 复 线与 退 磁 曲线基 本重合。其 商 用最 大 磁能积 已 达
2866kJ/m3 ,而 国内 实 验 室 水 平 已 达3901kJ/m3。用 于 电 机后,可 以 提高 电 机的磁 负 荷,减 少 电 机 的 体 积 与 重 量。尽管价格还 比 较 贵,但 一 个磁能积的 价 格与 铁 氧体 的 接 近,加上 每 台 电 机 的 用 量 很 少,及其 它有效 材 料 的 减 少,仍可使成 本保 持在现 有 电机水平 上。
铰铁 硼 永磁 材 料的原 料 非 常 丰富,但 温 度 系 数 较大,最高 使用 温度受限。自从 出 现 之 后,其 良 好 的 磁 性能 与 较 差 的 温 度稳定 性 使它能 否 在 电机 中大 量 应 用,一 直是个有 争 议 的 问 题。近 年 来,国 内 外的材 料 研 究者 进 行 了 大量 的 工 作,获 得 了 具有 良 好 热 稳 定 性 的钱铁 硼永磁 体。国 内生 产 出的 产 品 不仅具 有 低 的 温 度 系数 ( -0.06 ~ -0.08% / ℃) 和 高的使 用 温度 ( 200℃ ),而且 材料成 水 也有 大 幅度下 降。基 本 上 解决 了 钦铁 硼
永 磁材 料在 电机中 的 应 用 问 题。完全 满 足汽 车 交 流 发电机 的 要求,
是一 种 比 较理想的永 磁 材 料。
铰铁 硼 永磁材料 最 宜用在 500W以 上 的 汽 车 交流发 电机中,而 对于 功 率较 小 的 交流发 电 机,则 宜用 铁氧 体。 这 是 因 为在小 功率 交 流 发 电 机 中,有效材料 部分占整 个 电 机的 体积 的 比 例 很 小,因 而 比 功增加不 多。
转 子结 构 的 选 择 主 要 受 所 用 永 磁材 料、加工工艺、最 高使 用 转速等 影 响。对 于 铰铁 硼 永 磁,由 于 剩磁 和矫顽力 都 很高,宜采 用图4 所 示 的 径向 瓦 片式结 构,充磁 方向 很 短。为 了 简 化 工 艺,瓦 片 式永磁 体 用配 制 的 环 氧 树脂 胶粘在导磁 扼 上。磁极 之 间 呈 鸽 尾 型,用 胶填充。这 种 结构 不 仅 可以 减 少 永 磁 材 料 用 量,而 且 可 保 证在10000r/ min 时 正 常 运 行 无损 伤,这 是 因 为：
a、钱 铁 硼 永磁为超 强 永磁,且 每 块 的 体 积、重 量很 小。经 理 论 计算,即 使 不 用 胶 粘 接,在 转 速 为5000r / min 时,永 磁 体 与 导 磁扼之 间的 吸 引力 也 大 于其 离 心 力。因 此,在 高 速 运 转时,永 磁 体 的 可 能位 移来自相 邻 极 的 吸 引 力 与 切 向力。
b、由 于磁 极 之 间呈 鸽 尾 型,且用配 制 好 的 胶 填充,可很 好 地 平 衡 相 邻 磁极的 吸 引力 与 切 向 力( 剪 切 应 力大 于 3 5 MPa,拉应 力 大 于4MPa),
保 证 高 速 运 转时永磁 体 无位 移。
3、试验结果 与 分 析
所研制样机经长春汽车研究所测试符合有关标准要求,其基本数据为:
额定电压 28V
空载转速 1200r / min
满载转速 2750 / min
额定功率 750W(2750 r / min时,电流为27A)
比功( 功率 / 重量 ) 179/kg。
最大输出功率 1000W
综上可见,钦铁 硼 永 磁无 刷 汽 车 交 流 发 电 机明显具有 以 下 优 点：
a、体积小,重量轻,结构简单,维护方便,使用寿命长,工艺性能好。750W的饮 铁硼永磁汽车交流发电机与原来350W的交流发电机重量相当。转子上除轴承外无磨损部件,而且开有通风孔,加强了冷却散热,因而寿命可比原来提高两倍以上。
b、低速充电能好,可提高汽车的传动比。
c、因比功增大,可为国家节约大量金属材料。
d、由于不存在电刷与滑环之间的火花,可减少对车内及周围的无线电干扰。
e、由于无激磁损耗,效率可提高 10% 以上。
f、由于新的电压调节方式,无激磁绕组产生的电弧能量,且只有控制极的电 流通过触点,约为10mA左右远小于激磁绕组中的电流,可降低触点磨损,使相匹配 的电压调节器的结构大大简化。
g、由于永磁体的磁导率接近空气的磁导率,使电枢反应的磁阻增大,因而非 正弦畸变减小。
从以上分析可以说明,永磁 无 刷汽车交流发电机是汽车电机的发展方向,具有广阔的应用前景。
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