汽车用钕铁硼永磁发电机稳压分析

汽车工程

２０１１年（第３３卷）第１１期

ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

２０１１（Ｖ０１．３３）Ｎｏ．１１

２０１１２０３

汽车用４２Ｖ钕铁硼永磁发电机稳压分析奉

张学义，史立伟

（山东理工大学交通与车辆工程学院，淄博２５５０４９）

［摘要］在汽车４２Ｖ发电机中采用钕铁硼永磁转子。阐述了该永磁发电机的稳压原理，分析了其电枢反应电抗、绕组漏抗和负载端压与发电机转速的关系。研制出了集稳压、整流于一体和由基准电路、比较电路、触发电路和整流电路集成的五相半控桥式整流稳压器，解决了汽车用４２Ｖ永磁发电机在宽转速、宽负载范围内输出电压不稳定的问题。

关键词：汽车；钕铁硼永磁；发电机；稳压分析

ＡｎＡｎａｌｙｓｉｓ．ＯｌｌｔｈｅＶｏｌｔａｇｅＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆ４２ＶＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＧｅｎｅｒａｔｏｒ

ｗｉｔｈＮｄ・・Ｆｅ－－ＢＰｅｒｍａｎｅｎｔ・－ｍａｇｎｅｔＲｏｔｏｒ

ＺｈａｎｇＸｕｅｙｉ＆ＳｈｉＬｉｗｅｉ

＆ｈｏｄｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎａｎｄＶｅｈｉｃｌｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｎｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。Ｚｉｂｏ

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［Ａｂｓｔｒａｃｔ］

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集稳压、整流于一体，适合于汽车使用的４２Ｖ稀土永

日ｌＪ舌

目前汽车使用的１４Ｖ交流发电机的输出功率越

磁稳压发电机十分必要。

１稳压原理分析

汽车用４２Ｖ稀土永磁发电机包括由钕铁硼永磁材料、极靴、转子铁芯和轴构成的转子，由电枢绕

组和定子铁芯构成的定子以及前端盖与后端盖组

来越不能满足现代汽车电气设备对用电量的要求，

而４２Ｖ的汽车电源系统可大幅度提高发电机、起动

机的效率，显著降低汽车线束传输损耗及功率元件

的电能消耗。另外目前汽车普遍使用的硅整流发电

机由电励磁绕组产生磁场，通过电励磁绕组的大部分电能由于励磁绕组发热而消耗掉，带碳刷滑环结构的硅整流发电机的碳刷滑环容易磨损、寿命短、故障率高，无刷硅整流发电机由于增加了磁场气隙，故漏磁大，材料利用率低，成本高¨。１。因此研制一种

成。结构示意图如图１所示，简化原理图如图２

所示。

汽车用稀土永磁发电机的外负载主要是照明灯，可认为是纯电阻性，电阻值不变Ｈ。５］。当外电路接通时，通过负载的电流为

木山东省自然科学基金项目（ＺＲ２０１０ＥＭ０４８、ＺＲ２０１０ＥＱ００８）资助。

原稿收到１３期为２０１０年１１月２６日，修改稿收到日期为２０１１年３月１７日。

万方数据

２０１１（Ｖ０１．３３）Ｎｏ．１１张学义，等：汽车用４２Ｖ钕铁硼永磁发电机稳压分析

・９９５

・ｒｔ，厶为定子铁芯长度，∑Ａ为电枢绕组总磁导漏磁系数；屯为电枢反应电抗，ｚ。＝２ＥＦｋ。／（１・∑，），Ｌ为每极电枢磁动势，Ｆｏ＝０．４５ｍＮｋ，＃ｔ／ｐ，ｍ为相数，ｋ为绕组因数，取ｋ。＝１；∑Ｆ为总磁位差；☆。为交轴电枢磁动势折算系数，

．

Ｏｔ＇Ｔｉ＂一ｓｉｍｒｒｒ＋２ｃｏｓ（ａ，Ⅱ／２）／３

’

４ｑ一４ｓｉｎ（ｄｗ／２）

扎。———ｉｒ—

ｌ一后端盖２—轴承３一转子铁芯４一螺钉

５一极靴６—钕铁捌永磁体７一定子铁芯８一电机壳９一电枢绕组ｌＯ一前糟盏ｌｌ一轴１２一皮带轮

６．１３×１０“ｏｍｋ。Ⅳ２咖。

ｚｄ＝ｚ，＋ｚ。＝（Ｃ。＋Ｃ。）・ｎ＝Ｃｄ・ｎ，

ｃ｜…Ｃ

Ｃ。均为常数。

负载两端的电压为

图１钕铁硼永磁发电机结构示意图

￡，：脶＝———旦一Ｒ：————墅∑——一Ｒ￣／（Ｒ＋ｒ０）２＋＊：￣／（Ｒ＋ｒ０）２＋（ｃ。ｎ）２

（３）

当发电机转速很低时，（ｃ。ｎ）２比（只＋ｒｏ）２小得

多，可略去不计，Ｕ＝ｃ。ｒｉｍ（Ｒ＋ｒ０），Ｕ与ｎ成正比

上升；当发电机转速ｎ很高时，（Ｃ。ｎ）２远远大于（Ｒ＋ｒｏ）２，（Ｒ＋ｒｏ）２可忽略，Ｕ＝Ｃ。Ｒ／Ｃ。接近于常数。

由此可见，在转速较低时，发电机的输出电压随

图２发电机简化原理图

转速的升高成正比例地增加，然后随转速的升高增长速度减慢，到最高转速时趋于平稳，因此在发电机负载Ｒ不变的情况下，发电机本身具有一定的自稳压功能。但在实际应用中，由于汽车发动机转速在变化，发电机的负载Ｒ也经常变化，因此发电机输出电压也随之变化，为保证汽车用电设施的可靠性和安全性，采用五相半控桥式整流稳压器进一步稳定发电机高转速时的输出电压，以满足使用要求。

，：

墨

、厢再币—ｉ

其中Ｅ＝４＾Ｅ疗慨。或ｘ１０“

（２）

式中：Ｅ为电枢绕组感应电动势；ｋ为波形系数，当空气隙磁场为正弦分布时，取ｋ。＝１．１１．，为频率，，＝ｐｎ／６０，Ｐ为极对数，本设计为１２极同步发电机，Ｐ＝６，Ⅱ为发电机转速，ｒ／ｍｉｎ；Ｎ为发电机每相电枢绕组匝数；＆。为电机绕组系数，取ｋ。＝０．９２；西。为通

２五相半控桥式整流稳压器

设交流发电机每相的输出电压为Ｕ。，导通角为ｎ，几种整流方式的输出电压平均值计算如下㈣。

单相半控桥整流输出电压平均值：

过电枢绕组的有效磁通量，币。＝蛾／吼，口。为漏磁

系数，有极靴星形转子Ｏ＂０：１．２—１．５；中。为空气隙

中每极的磁通量，吼＝ａ８。ｆｋ，Ⅱ为极弧系数，有极靴星形转子ａ＝ｏ．７５—０．８５；Ｂｓ为空载磁感应强度，Ｂ。＝（０．７５—０．８５）Ｂ，，风为磁钢的剩磁感应强度；ｒ为极距，ｒ＝，ｔｒＤ／（却），Ｄ为定子铁芯内径；岛为空气隙轴向计算长度；因此Ｅ＝６．８ｌ×１０“”ｐ．１ｖ或・ｎ＝ｃ。ｎ，Ｃ。为常数。Ｒ为照明灯的电阻；ｒｏ为电枢绕组的电阻，ｒ０＝ｌｐ／ｓ，ｚ为绕组线圈长度，Ｐ为导体的电阻率，ｏ・ｍ，ｓ为绕组线圈横截面积；扎为电枢绕组的

＝圭ｆ０觋８ｉＭ砌（“）＝兰坐“ｃｏ“

三相半控桥整流输出电压平均值：

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９Ｕ１ｃｏｓａ

ｕ＝一翕Ｉ『厕ｓｔ删㈥＝挚一＝２硼一

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五相半控桥整流输出电压平均值：

同步电抗，粕＝以＋扎＾为绕组漏抗＾＝１５．５志（嵩）２鲁ＸＡｘ１０－２＝２．５８×１０－９帆∑…＝ｃ－

万方数据

ｕ：．．ｏｋ。ｉ喇岫）：旦啊。＝２．５５Ｕｔｃｏｓａｕ。２—，ｒＬｒ／２，ｅ‘４画ｓｉＩｌ“８（“）２詈ｕｅ。Ⅺ

９９６・

汽车工程

２０１１年（第３３卷）第１１期

由此可看出，五相半控桥式整流稳压器能够输出较高的平均电压，电压输出特性较好。

导通，集电极电流通过电阻马、二极管Ｄ。。分别向可控硅ＳＣＲ。的栅极提供触发电流，使可控硅导

五相半控桥式整流稳压器由基准电路、取样电路、触发电路和整流电路组成。电路图如图３所示。

璺ｏ

Ｌ

Ｊ

通，可控硅ＳＣＲ。与整流二极管Ｄ。，，构成五相桥

式整流电路，输出直流电。

随着发电机转速的升高，输出电压ｕ和三极管ｒ。发射极与Ａ点的电压都升高。当输出电压ｕ高于设置的目标稳压值％时，三极管瓦发射极与Ａ点的电压大于稳压管Ｄ。的击穿电压ｕ。。三极管■由截止状态变为导通状态，发射极与集电极之间的电压为０．２—０．３Ｖ＇，Ｊ、于三极管疋发射极与基极之

间的门槛电压０．７Ｖ，三极管咒由导通变为截止，不

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再向可控硅ＳＣＲ。的栅极提供触发电流，可控硅延时至无正向电压时截止，五相半控桥式整流电路瞬时断开，形成开路，输出电压Ｕ迅速下降，三极管Ｌ

发射极与Ａ点的电压也下降。当输出电压ｕ低于

Ｒｌ

ｒ一电阻肛负戟口ｌｌｏ一二桎管Ｄ¨＿ｌ广整摅二极管

Ｄｎ广稳雎管ｑ广电容ｎ一厂三极管ＳＣＲＩ—ｓ一町拉硅ＪＦ－－广交流发电机完全相同的５十电枢绕组

图３

五相半控桥式整流稳压器电路图

设置的目标稳压值‰时，三极管ｒ。截止，疋导通，可控硅再次导通，整流电路恢复工作。当输出电压ｕ再升高，大于设置的目标稳压值“时，稳压管Ｄ。击穿，三极管Ｌ再导通，疋再截止，周而复始，三极管ｒ。、疋反复处于通断状态。通过削波、移相和整流，保证了发电机输出电压稳定的直流电，给汽车的

用电设施提供直流电源或给蓄电池充电。

通过调整Ｒ．的阻值，可改变Ａ点的电势，从而设置五相半控桥式整流稳压器目标稳压值“＝４２Ｖ。ＪＦ．，，为五相永磁交流发电机完全相同的５个电枢绕组，其相位差为７２０。整流二极管Ｄ。，，的负极接在一起，作为整流稳压器的正极，可控硅ＳＣＲ。的阳极接在一起，作为整流稳压器的负极。

当发电机低速运转时，主要采用高矫顽力、高剩磁感应强度、高磁能积的钕铁硼永磁材料，对发电机结构进行优化设计，增加电枢绕组匝数和极对数等来保证发电机输出较高电压。发电机低转速时输出电压￡，比较低，小于设置的目标稳压值“，三极管正的发射极与Ａ点的电压小于稳压管Ｄ。的击穿电

３性能试验

为了合理调整发电机结构参数以优化样机设计，提高样机的性能”“ｏ，本文中研究了磁钢长度￡、磁钢磁化厚度ｈ和电枢绕组线横截面积ｓ对发电机输出功率的影响规律，结果如图４～图６所示。根据以上分析，所设计的汽车用钕铁硼永磁发电机采用１２极有极靴星形转子式五相永磁同步发电机，发电机额定电压４２Ｖ，额定功率３ｋＷ，额定转

压ｕ。，三极管正处于截止状态。由于稳压管Ｄ。

电容ｃ２为三极管疋提供正向偏压，三极管疋的发射极与基极之间的电压大于０．７Ｖ，因此三极管疋

图４磁钢长度￡对输

出功率的影响

图５磁钢磁化厚度ｈ对

输出功率的影响

图６电枢绕组线横截面积

ｓ对输出功率的影响

万方数据

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速４０００ｒ／ｍｉｎ。磁性材料选用钕铁硼ＮＴＰ．

功率分别为２．８、３和３．２ｋＷ的条件下，对新研制的五相半控桥式整流稳压钕铁硼永磁发电机进行性能试验，试验结果见表１。

２４０ＳＨ‘９｜，其剩磁感应强度Ｂ，＝１．１２Ｔ，磁场强度皿＝

８０４ｋＡ／ｍ，最大磁能积（ＢＨ）一＝２２３ｋＪ／ｍ３。在负载

表１发电机输出电压试验结果

转速／（ｒ／ｌＩｌｉｎ）２ｏｏＯ负载功率／ｋｗ２．８３．Ｏ３．２样机电压／Ｖ

３８．５６

３８．３２

３８．１１

从表中可见，当发电机转速由２０００ｒ／ｍｉｎ变化到

４

８００ｒ／ｍｉｎ时，负载功率由２．８ｋＷ变化到３．２ｋＷ

时，输出电压稳定在３８．１ｌ～４２．４６Ｖ，即在额定电压４２Ｖ的９１％一１０１％范围内波动，满足设计要求。

４结论

（１）发电机采用钕铁硼永磁转子，无电励磁绕组，铜材消耗少，无碳刷滑环结构，故障率低。

（２）研制出了集稳压、整流于一体的五相半控

桥式整流稳压器，解决了汽车用永磁发电机在宽转

速和宽负载范围内输出电压不稳定的问题。

（３）钕铁硼永磁发电机的转速由２０００ｒ／ｒａｉｎ变化到４８００ｒ／ｍｉｎ时，负载功率由２．８ｋＷ变化到３．２ｋＷ时，输出电压稳定在３８．１１～４２Ｊ４６Ｖ，稳压性

能良好。

万方数据

４０００４８００２．８３．Ｏ３．２２．８３．０３．２４２．４２

４２．３４

４２．２ｌ

４２．４６

４２．３７

４２．３２

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