42 V汽车用永磁发电机的电磁设计

倪有源，李 伟，鲍晓华，姜文东

(1.合肥工业大学，安徽合肥 230009;2.安徽合力股份有限公司，安徽合肥 230022)

0 引 言

最近几十年汽车用发电机一直采用爪极发电机，爪极发电机是电励磁发电机。爪极发电机由于结构简单、制造容易、价格低等因素，广泛应用于汽车中。随着现代汽车内电负载的日益增长，对汽车电气系统的需求也相应增长。未来汽车发电机功率将逐渐增大。传统的爪极发电机输出功率一般小于2 kW，而且效率低。因此需要设计功率较大、性价比高的新型发电机。要增加功率，只单独增加电流等级是不行的，因为电流越大，发热越严重，损耗也越大。因此传统的爪极发电机不能满足日益增长的功率和效率要求，将不再是理想的选择。

与电励磁发电机比较，永磁发电机具有不需要提供电励磁、体积小、重量轻、效率高、寿命长、性价比高等优点，将可能代替传统的爪极发电机，成为汽车用发电机的首选。与同功率发电机相比，永磁发电机延长了轴承的使用寿命，避免了电励磁发电机的励磁绕组易烧毁、短路、断线等问题。因此永磁同步发电机可应用于汽车上，而42 V是很好的电压等级，分析研究42 V汽车用永磁发电机具有重要的意义和工程应用价值。

近年来国内外对汽车用永磁同步发电机的研究十分活跃［1－10］。文献［1－2］提出双定子外转子结构永磁电机，具有发电和起动发动机两种功能，可以用于汽车或混合动力汽车中。文献［3］给出一台1.5 kVA永磁发电机的设计结果，但并没有给出设计过程。文献［4］给出一台汽车用混合励磁发电机的优化设计结果。混合励磁发电机虽然可以通过调节励磁电流调节输出电压，但混合励磁的结构和磁路都过于复杂，不易推广应用。文献［5］设计一台6 kW内转子结构的汽车用永磁发电机，但其结构比较复杂，制造工艺复杂，也不易推广应用。文献［6－7］提出一种新型结构的混合励磁发电机，用于混合电动汽车中，但其结构也过于复杂。文献［8］采用有限元方法分析电枢反应和气隙磁导对切向式永磁发电机转子涡流损耗的影响。

但是国内外对于汽车用永磁发电机的电磁设计研究却比较匮乏。有限元方法虽然计算精确，但计算费时。和有限元方法相比，等效磁路方法具有计算时间短的优点。本文采用等效磁路方法设计一台42 V汽车用永磁发电机，分析研究了发电机主要尺寸、极弧系数以及定子绕组设计等电磁设计过程，得到了一台汽车用永磁发电机的设计结果。并在此基础上，进一步分析研究该电机，得到功角关系曲线、功率与效率的关系曲线、极对数与效率的关系曲线、气隙与效率的关系曲线等。电机结构简单，便于生产制造，并解决了电磁设计中的一些问题。本文对汽车用永磁发电机的电磁设计、参数计算和优化设计等提供了一定的理论参考。

1 汽车用永磁发电机的结构和工作原理

汽车用永磁同步发电机的结构包括定子、转子和端盖等。为减小铁耗，定子采用叠片结构。永磁同步发电机与其它发电机最主要的区别是转子磁路结构［11］。汽车用永磁同步发电机转子磁路结构主要有以下四种结构:切向式转子结构、径向式转子结构、混合式转子结构和轴向式转子结构。汽车用永磁同步发电机的励磁由永磁体提供。电机电枢反应的性质由电枢磁动势基波Fa与励磁磁动势基波Ff1的空间相对位置决定。电枢磁动势基波Fa包括直轴和交轴两个分量，气隙合成磁动势为Fδ=Ff1+Fa，永磁同步发电机端电压随气隙合成磁动势的变化而变化。当负载发生变化时，引起发电机输出的端电压变化，由于永磁体提供的励磁无法调节，所以不能保证发电机输出的端电压恒定，这与电励磁同步发电机明显不同。

2 汽车用永磁发电机的电磁设计

2.1 永磁发电机的主要性能指标和额定数据

设计一台汽车用永磁同步发电机时应满足规定的各项技术要求，效率η、功率因数cosφ、固有电压调整率Δu等各项主要性能应达到一定指标［11］。

汽车用永磁同步发电机的设计要求中通常给出下列额定数据:额定容量PN;电机相数m;额定相电压UN;额定效率ηN;额定频率f;固有电压调整率ΔuN;冷却方式等。

2.2 电机尺寸的确定

图1 汽车用永磁同步发电机模型

图2 永磁发电机等效磁路

设计的永磁发电机模型如图1所示，为径向式转子结构。图2为永磁发电机一对极的等效磁路。图中，Φr和Rm为一对极下永磁体等效为一个恒定磁通源和一个磁阻的并联;Fm和Φm分别为对外表现的磁动势和磁通;Φδ和Rδ分别为主磁路的主磁通和磁阻;Φσ和Rσ分别为漏磁路的漏磁通和漏磁阻;Fad为直轴电枢反应磁动势。

(1)电磁负荷的选择

当电机的容量和转速一定时，电机的主要尺寸取决于电磁负荷。永磁式和电磁式一样，提高线负荷A、气隙磁密Bδ能增加电机输出或减小电机体积。但是线负荷A受到电机发热和工作特性的限制，而气隙磁密则受到磁铁特性和磁路参数的限制。同时，比值A/Bδ影响到发电机的电压调整率和短路电流倍数。设计中，A和Bδ的参考数据如下:线负荷A 为10～20 A/cm;气隙磁密Bδ为0.65～0.8 T。

(3)主要尺寸比的选择

(4)主要尺寸的确定

2.3 永磁材料的选择及永磁体尺寸的确定

(1)永磁材料的选择

永磁同步发电机通常采用钕铁硼或铁氧体永磁，优点是气隙磁密高、功率密度高、体积小质量轻。但永磁体的温度系数较高，输出电压随环境变化而变化，导致输出电压偏离额定电压，且难以调节。

具体选用时，应从工艺、成本等多方面分析后确定选用何种永磁材料。在永磁同步发电机的设计中，选择的永磁材料为XGS－200;通过查表得到其剩余磁通密度为1.04 T，计算矫顽力为774 kA/m。

(2)永磁体尺寸的确定

设计中永磁体轴向长度一般取等于或略小于电机铁心轴向长度，因此只需设计永磁体尺寸的另外两个参数:磁化方向长度hM和宽度。

永磁体磁化方向长度hM是决定直轴电抗Xad的一个重要因素，所以hM的确定应使Xad合理;同时hM不能过薄，过薄容易造成永磁体生产的废品率上升，且永磁体不易运输，易于退磁。对于径向式转子磁路结构永磁体磁化方向长度的估算公式:

式中:Ks是电机饱和系数，一般取1.05～1.3;Kα与转子结构有关，一般取0.7～1.2;bm0为预估电机永磁体空载工作点，初取值为0.8;σ0为预估电机空载漏磁系数，初取值为1.2。

永磁体宽度bM决定永磁体能够提供磁通的面积，其估算公式:

在设计中，取永磁体的轴向长度LM=L1。

对于径向转子结构，永磁体的每极截面积为AM=hMbM;每对极磁化方向长度hMp=2hM。永磁体的体积Vm=pAMhMp，其中p为极对数。永磁体质量mm=ρVm×10－3，其中 ρ=8.1 g/cm3。

2.4 气隙的选择

选择气隙δ时应考虑到发电机的过载能力、静态和动态稳定性以及电机的经济性，增加δ时能提高电机的过载能力和稳定性;但是励磁功率增加，电机的经济性较差。除此之外，还应考虑到磁铁的利用程度，从最佳利用磁铁出发，应尽量提高有效磁导，即尽量减小空气隙。但是气隙的最小值受到机械条件的限制，一般取δ=0.5～2 mm。

本设计中预取空气隙长度δ1=0.5mm，非磁性材料套环的厚度Δ=1.5 mm，所以气隙长度δ=δ1+Δ=2 mm。

2.5 极弧系数的确定

极弧系数αp为极弧长度与极距的比值，增大αp能使有效磁通增加，但也扩大了横轴电枢反应的作用，加深了气隙磁场的畸变;过大的αp值使磁铁的工作点下降，因此极弧系数不能过大。在本设计中取 αp=0.8。

2.6 转子结构尺寸

2.7 定子绕组和定子冲片的设计

(1)定子绕组的设计

在完成每极每相槽数q的选择、绕组型式的选择、绕组节距y和斜槽宽度的选择、绕组因数的计算等之后，定子绕组设计也就完成了。

(2)定子冲片的设计

在永磁同步发电机中通常采用梨形槽和梯形槽，属于半闭口槽。这种槽型可以减少铁心表面损耗和齿内脉振损耗，并使有效气隙长度减小，改善功率因数。其中梨形槽比梯形槽的槽面积利用率高，冲模寿命长，而且槽绝缘的弯曲程度小，不易损伤。所以本设计中使用梨形槽。计算槽面积、槽绝缘所占面积可得槽的有效面积，可进一步计算得到槽满率。

2.8 磁路计算

计算总漏磁导、交轴电枢反应电抗、交轴同步电抗、内功率因数角、每极直轴电枢磁动势等参数，确定永磁体负载工作点。

2.9 电压调整率和短路电流计算

短路电流倍数:

2.10 损耗和效率计算

永磁发电机整个电磁设计流程图如图3所示，流程图中包括几个迭代过程，只有当计算值与理想值的误差小于设定值时，迭代中止。

图3 永磁发电机电磁设计流程图

3 电机设计结果

根据汽车用永磁同步发电机的电磁设计过程，利用MATLAB软件编写汽车用永磁同步发电机的设计程序，程序中涉及到槽满率、电压调整率以及效率等几个循环，直到各参数都满足设计要求为止。以下给出设计结果。

(1)永磁同步发电机设计结果

汽车用永磁发电机的设计要求:额定容量SN=2.5 kVA;电机相数 m=3;额定相电压 UN=17.898 V;额定效率ηN=90%;额定频率f=50 Hz;固有电压调整率ΔuN=10%。

运行程序得到设计结果。表1列出了电机主要尺寸设计结果，电机为内转子结构，永磁体的磁化方向为径向。表2列出了电机主要性能参数计算结果。由表中数据可知，设计结果基本满足设计要求。

表1 电机主要尺寸设计结果

表2 电机主要性能参数

(2)永磁发电机的功角特性曲线

当发电机的励磁电动势E0和端电压U保持不变时，发电机的电磁功率Pe与功角δ之间的关系Pe=f(δ)，称为功角特性。其表达式:

式中:右边第一项Pe1称为基本电磁功率;第二项Pe2称为附加电磁功率;其功角特性如图4所示。由图4可知，当0°≤δ≤180°，电磁功率 Pe为正值，电机处于发电机状态;当－180°≤δ≤0°，电磁功率Pe为负值，电机处于电动机状态。

(3)发电机的效率与功率关系

在改变永磁同步发电机的功率PN的情况下，运行程序，得到各个额定功率下的效率值，如图5所示。由图5可知，当所要设计的功率上升时，设计的永磁同步发电机效率略微上升。

图4 发电机功角特性曲线

图5 发电机功率与效率的关系

(4)发电机的极对数与效率关系

当设计要求中的额定功率不变，改变永磁同步发电机的额定转速，即改变电机的极对数p。以2.5 kVA的发电机为例，改变电机的极对数，得到极对数p与效率的关系，如图6所示。由图6可知，当设计要求中的额定转速减小而其它要求不变时，设计的电机效率将会略微下降。

(5)发电机气隙长度和效率的关系

图7为汽车用永磁发电机气隙长度和效率的关系曲线。当发电机的气隙增大时，电机内部的漏磁增大，由等效磁路可知，磁路中磁阻增大，电机发热、效率减小。但由于制造工艺的约束，气隙长度并不能取得很小。

图6 发电机的极对数与效率关系曲线

图7 气隙长度与电机效率曲线

4 结 论

本文分析研究了42 V汽车用永磁发电机具有重要的意义和工程应用价值。等效磁路方法具有计算时间短的优点。在分析永磁同步发电机设计方法的基础上，考虑到汽车用发电机的发展趋势，采用等效磁路方法计算得到一台42 V汽车用永磁同步发电机的设计结果。并在此基础上，进一步分析研究该电机，得到电机的功角特性曲线、效率与功率的关系曲线、极对数与效率的关系曲线、气隙长度与效率的关系曲线等。效率随着功率增加而增加，效率随着极对数增加而减小，效率随着气隙长度与增加而减小。由设计结果可知，通过增加永磁体的尺寸、或者增加发电机的功率，或者减小发电机的极对数等方式都可以提高发电机的效率。本文对于小功率永磁发电机的电磁设计、参数计算和优化设计等具有一定的理论参考价值。

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