车用永磁发电机及其控制系统的研究
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摘要
本文结合“车用永磁发电机及其控制系统的研究”课题，对宽转速车用永磁发电机的工作特点、设计方法、稳压控制以及未来汽车供电系统的发展趋势进行了详细的分析研究，取得了一些具有工程实用价值的成果。
首先，从本课题采用的径向式结构的三相永磁同步发电机的物理模型出发，得出其基本电路方程式，并分析了永磁磁动势与绕组磁动势间相对位置的不同而对绕组电感不同的影响，相电流对磁路饱和效应的影响，为车用永磁发电机的优化设计提供了理论依据。
然后，根据开发车用永磁发电机的技术难点，分析比较了现有的车用永磁发电机的磁路结构，综合不同结构的优缺点，给出了本课题车用永磁发电机采用的磁路结构。从车用永磁发电机在整个转速范围内的效率和利用程度考虑，通过大量的计算和分析，研究了车用永磁发电机主要设计参数的确定方法，为车用永磁发电机的本体设计提供了有力的依据，并利用混合罚函数法对车用永磁发电机进行优化设计；从改善车用永磁发电机的通风冷却条件和提高功率密度两方面考虑，采取了在转子上开通风孔的措施，并利用电磁场有限元法对车用永磁发电机磁路结构进行分析，得出通风孔的最佳形状和分布位置。在以上分析的基础上，设计并制造了三台样机，试验结果良好。
最后，结合现代电力电子技术，利用整流桥、逆变器、MOSFET等元器件设计并实现了车用永磁发电机恒压输出控制；从未来汽车电气系统的发展方向和高效节能方面考虑，提出未来汽车的多电压供电系统的典型配电模型，并对该模型进行具体设计，实现多电压供电的功能，并给出了控制线路中各主要部分的波形。结果表明，该供电系统性能较好。
According to the study on permanent magnet (PM) generator and its control system in vehicle application, this dissertation is devoted to the study on run characteristics, design method and control system of PM generator for autos. At the same time, the future power supply model of generator for autos is given. Three parts are included as follows:
First of all, the basic circuit equation of radial PM generator for autos is given. The effect of reciprocity of PM and winding's magnetic force upon winding's inductance and current upon magnetic circuit saturation are analysed. According to these, we can obtain optimized design.
According to technology difficulties of PM generator for autos and the analysis of existing magnetic circuit of PM generator for autos, a magnetic circuit for this item is given. The main PM generator parameters are obtained. The optimized design is concerned by Multi-SUMT method. Ventilated hole at rotor is adopted for improving ventilation and cooling condition and power density. An optimized position of ventilated hole is obtained by electromagnetic field computation. According to these analyses, three PM generators for autos are designed. The generator is verified to be of well performances by experiment.
The third part concerns the control system of PM generator in vehicle application by commutating and inversion. Considering the development of future power supply of auto electric system and the economizing on energy, the multi-voltage power supply system for future autos power supply system is introduced, and the design is given in detail. The waveforms of main parts of this system are given. The system is verified to be of well performances by experiment.
首先，从本课题采用的径向式结构的三相永磁同步发电机的物理模型出发，得出其基本电路方程式，并分析了永磁磁动势与绕组磁动势间相对位置的不同而对绕组电感不同的影响，相电流对磁路饱和效应的影响，为车用永磁发电机的优化设计提供了理论依据。
然后，根据开发车用永磁发电机的技术难点，分析比较了现有的车用永磁发电机的磁路结构，综合不同结构的优缺点，给出了本课题车用永磁发电机采用的磁路结构。从车用永磁发电机在整个转速范围内的效率和利用程度考虑，通过大量的计算和分析，研究了车用永磁发电机主要设计参数的确定方法，为车用永磁发电机的本体设计提供了有力的依据，并利用混合罚函数法对车用永磁发电机进行优化设计；从改善车用永磁发电机的通风冷却条件和提高功率密度两方面考虑，采取了在转子上开通风孔的措施，并利用电磁场有限元法对车用永磁发电机磁路结构进行分析，得出通风孔的最佳形状和分布位置。在以上分析的基础上，设计并制造了三台样机，试验结果良好。
最后，结合现代电力电子技术，利用整流桥、逆变器、MOSFET等元器件设计并实现了车用永磁发电机恒压输出控制；从未来汽车电气系统的发展方向和高效节能方面考虑，提出未来汽车的多电压供电系统的典型配电模型，并对该模型进行具体设计，实现多电压供电的功能，并给出了控制线路中各主要部分的波形。结果表明，该供电系统性能较好。
According to the study on permanent magnet (PM) generator and its control system in vehicle application, this dissertation is devoted to the study on run characteristics, design method and control system of PM generator for autos. At the same time, the future power supply model of generator for autos is given. Three parts are included as follows:
First of all, the basic circuit equation of radial PM generator for autos is given. The effect of reciprocity of PM and winding's magnetic force upon winding's inductance and current upon magnetic circuit saturation are analysed. According to these, we can obtain optimized design.
According to technology difficulties of PM generator for autos and the analysis of existing magnetic circuit of PM generator for autos, a magnetic circuit for this item is given. The main PM generator parameters are obtained. The optimized design is concerned by Multi-SUMT method. Ventilated hole at rotor is adopted for improving ventilation and cooling condition and power density. An optimized position of ventilated hole is obtained by electromagnetic field computation. According to these analyses, three PM generators for autos are designed. The generator is verified to be of well performances by experiment.
The third part concerns the control system of PM generator in vehicle application by commutating and inversion. Considering the development of future power supply of auto electric system and the economizing on energy, the multi-voltage power supply system for future autos power supply system is introduced, and the design is given in detail. The waveforms of main parts of this system are given. The system is verified to be of well performances by experiment.
引文
[1] Jurgen Kasedorf著，李滋兰，周(王卯)平等译．汽车电气系统．北京：电子工业出版社．2000
[2] 梁昌勇．我国车用永磁发电机的发展前景及现状．微电机．1998，31(2)：34～36
[3] 徐卫，何全陆．稀土永磁汽车发电机的开发现状与前景展望．微特电机．1998(5)：44～45
[4] 钟步青．汽车发电机的结构．微电机．2001，31(2)：53～56
[5] 刘衡章．实用现代汽车电气、电子技术．北京：电子工业出版社．1999
[6] Hans Joachim, Jurgen Muller. Mechatronical Considerations in Modern Motorcar Generators. IEEE Trans. Industry Applications. 1996. Nov./Dec.: 33～38
[7] 唐任远等．现代永磁电机理论与设计．北京：机械工业出版社，1997
[8] 黄延允，黎庆昌．汽车用永磁电机综述．微特电机．2000(4)：34～35
[9] 深圳市奥融信电子技术开发有限公司．车用永磁发电机项目可行性研究报告．2001
[10] 徐卫，权英萍．大功率永磁交流汽车发电机的研制及结构特点．电机技术．1998(2)：44～46
[11] 周涌．电机应用—第一讲：电机在汽车零部件上的应用(1)～(4)．微电机．2001，34(1)～34(4)
[12] 张炳生．汽车电机的发展动向．微电机．1991(1)：29～31
[13] 唐苏亚．汽车用微特电机的发展现状何开发策略．微电机．1996，29(2)：30～33
[14] K. R. Pullen, H. Mansir, et al. High Power Density Air Cooled Motor Generators for Automotive Applications. IEEE Trans. IEE Colloquium on, Electrical Machine Design for All-Electric and Hybrid-Electric Vehicles. No. 196.1999. pp7/1～7/5
[15] 王自，张晓英，陈国第．车用永磁发电机的研制．微电机．2000，33(1)：49～53
[16] 周毅人，李忠杰．小型盘式永磁发电机设计与稳压控制．微特电机．1997(6)：11～13
[17] 李永斌．永磁恒压发电机及其数字仿真．山东工业大学硕士学位论文．1996．6
[18] John G. Kassakian, Hans-Christoph Wolf, et al. Automotive Electrical Systems circa 2005. IEEE Trans. Spectrum 1996. AUG.: 22～27
[19] 李文石，汤荣生．汽车电气系统发展综述．汽车电器．2001(2)：1～4
[20] Malakondaiah Naidu, James Walters. A 4kW, 42V Induction Machine Based Automotive Power Generation System With a Diode Bridge Rectifier and a PWM Inverter. IEEE Trans. Industry Application. 2001: 449～456
[21] 崔芮华．永磁同步发电机非线性电感及车用永磁发电机系统仿真研究．哈尔滨工业大学博士学位论文．1998．6
[22] D. Y. Ohm, J. W. Brown, et al. Modeling and Parameter Characterization of PM Synchronous Motors. B. C. Kuo ed.. the 24th Proceeding. Champaign, Illinois: IMCSS, 1995:81～86
[23] D. Y. Ohm, J. Davison. Measurements of Saturated Inductance for Permanent Magnet AC Motors. B. C. Kuo ed.. the 26th Proceeding. Champaign, Illinois: IMCSS, 1997:181～188
[24] 汤蕴璆等．电机学．西安：西安交通大学出版社．1993
[25] 胡怡研，田立坚等．稀土永磁同步电机电抗参数的准确计算．1994年全国永磁电机学术交流会论文集．1994：48～52
[26] 谢卫，周杰．永磁同步电机饱和同步电抗的测量．电工技术杂志．1997(3)：38～34
[27] 谢卫．由直流衰减试验测取同步电机参数．电机技术．1992(2)：18～22
[28] 唐任远．特种电机．北京：机械工业出版社．1998
[29] J. R. Rhee, D. G. Hwang, et al. A Bipolar Pulse-Type Hysteresis Loop Tracer for Rare Earth Based Permanent Magnets. IEEE Trans. Magnetics. Vol. 34, No.4, 1998. July: 2018～2020
[30] V. Ostovic, John M. Miller, et al. A Magnetic-Equivalent-Circuit-Based Performance Computation of a Lundell Alternator. IEEE Trans. Industry Applications. Vol.35, No.4, 1999. July/Aug: 825～830
[31] Yuriy N. Zhilichev. Three-Dimensional Analytic Model of Permanent Magnet Axial Flux Machine. IEEE Trans. Magnetics. Vol.34, No.6, 1998. Nov.:3897～3901
[32] Bumby J.R., Brown N. Auxiliary Power Units: A Role For TORUS Generator? IEE Seminar. Electric, Hybrid and Fuel Cell Vehicles. No.050.2000.pp7/1～7/4
[33] Tareq S. El-Hasan, Patrick C. K. Luk. Modular Design of High-Speed Permanent-Magnet Axial-Flux Generators. IEEE Trans. Magnetics. Vol.36, No.5, 2000. Sep.: 3558～3561
[34] Malakonkaiah Naidu, Nady Boules, et al. A High-Efficiency High-Power-Generation System for Automobiles. IEEE Trans. Industry Applications. Vol.33, No.6, 1997. Nov./Dec.: 1535～1543
[35] 陈义成，孙维光等．无刷永磁汽车交流发电机．沈阳工业大学学报．1990，45(3)：85～94
[36] 王凤昌，姜思杰．具有开发前途的稀土永磁汽车发电机．汽车电器．1995(6)：9～10
[37] 张存山，邹黎．飞轮式永磁发电机的稳压研究．农业工程学报．1998(1)：131～134
[38] 刘景林，李钟名．混合罚函数法在永磁同步发电机优化设计中的应用．微特电机．1997(5)：6～11
[39] 李光友，王秀和，孟传富．皮带轮式永磁交流发电机的设计．汽车电器．1993(1)：1～2
[40] J. F. Eastham, Evans, et al. Double Disc Alternators with Hybrid Excitation. IEEE Trans. Magnetics. Vol.28, No.5, 1992. Sep.: 3039～3041
[41] 刘景林，李钟名．径向励磁结构的稀土永磁同步发电机设计方法．微电机．1997，30(4)：8～10
[42] 刘宁．钕铁硼永磁高速同步发电机设计．沈阳工业大学学报．1997，19(3)：92～94
[43] 张存山，姜殿波．永磁交流发电机的设计方法．山东工程学院学报．2000，14(4)：46～48
[44] 覃斌．JFY151和JFY251汽车永磁发电机的比较．广西交通科技．1999，24(6)：28～30
[45] 柳州亚大汽车电器厂．JFY系列汽车永磁发电机．广西交通科技．1996，21(2)：43～45
[46] 闭克农．JFY131汽车永磁发电机．中南汽车运输．1994(6)：16
[47] 陈志刚．运用磁场分析方法进行飞轮式永磁发电机设计．8～10
[48] 陈世坤．电机设计．北京：机械工业出版社．1997．7
[49] 程福秀，林金铭．现代电机设计．北京：机械工业出版社．1993．5
[50] 卢贤良，吴汉光等．高效能汽车无刷交流发电机的研究与应用．电工技术杂志．2001(5)：1～3
[51] F. Liang, J. Miller et al. A Vehicle Electric Power Generation System with Improved Output Power and Efficiency. IEEE Trans. Industry Applications. Vol.35, No.6, 1999. Nov./Dec.: 1341～1346
[52] F. liang, J. Miller et al. A Control Scheme to Maximize Output Power of a Synchronous Alternator in a Vehicle Electrical Power Generation System. In Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting. 1996. Oct.:830～835
[53] Julio C. Moreira. Indirect Sensing For Variable Speed Permanent Magnet Alternator. In Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting. 1994. Oct.:401～407
[54] 李光有．提高汽车发电机系统输出功率和效率的新方法．微特电机．2002，30(4)：16～18
[55] 夏云．摩托车用三相永磁同步发电机的分析和设计(1)．微电机．2001，34(2)：14～18
[56] 夏云．摩托车用三相永磁同步发电机的分析和设计(2)．微电机．2001，34(3)：10～12
[57] 刘坚，王练等．用于下一代汽车的双电压(14／42V)电气系统．汽车电器．2000(1)：5～6
[58] 孙精治．对《小型盘式永磁发电机设计与稳压控制》一文中稳压控制电路的改进微特电机．1999，27(3)：10～11
[59] 王宝良．交流发电机整流桥与调节器的组合模式概述．汽车电器．2001(5)：41～44
[60] 卢贤良．汽车用交流发电机测试系统的电子负载．中小型电机．2000，27(1)：46～48
[61] 黄俊，王兆安．电力电子变流技术．北京．机械工业出版社．1997．10
[2] 梁昌勇．我国车用永磁发电机的发展前景及现状．微电机．1998，31(2)：34～36
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