引用 永磁汽车起动机的设计特点　2008-12-20 22:01
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起动机 的 永磁汽车起动机的设计特点
 
永磁汽车起动机的设计特点
胡广振　王德江　齐慧彬　陈义成
1　引　言
  随着汽车工业的发展，对汽车起动机提出了体积小、重量轻、功率大的要求，推动了永磁起动机发展。利用永磁材料作磁极，代替传统汽车起动机中的磁场绕组和磁极铁心制成永磁起动机，节省了铜和铁；永磁体的体积较原来磁极所占位置小，减小了径向尺寸；同样的输出特性，体积和重量可减少30%以上；或者同样的体积和重量时，输出功率可提高50%左右；比功率(功率／重量)提高了30%～50%；在同样温升的条件下允许的输出功率较大，效率亦提高。因没有磁场绕组，电感量减少，可改善换向性能，防止由换向火花产生的高频干扰。
  目前，国内起动机制造厂在设计起动机时，大都沿用普通直流电动机的电磁设计程序，这不仅不能体现汽车起动的技术要求和工作特点，而且造成一些重要参数取值不当，计算结果很不准确。对于永磁起动机，有些工厂在试制时，不仅无完整的理论，也无经验，一般是照搬仿制。当国产材料达不到进口电机材料要求时，会产生一系列的困难。本文在几种永磁汽车起动机研制的基础上，对其设计方法进行了探讨。
2　汽车起动机的工作特点
  汽车起动机是在汽车起动瞬间，仅仅工作几秒至十几秒的短时工作电机。在部标JB2741—80中明确规定了起动机的定额为短时定额制，不超过0.2min(12s)，其主要作用是起动汽车发动机在工作过程中要克服发动机的阻力矩，并达到一定的转速，以满足发动机的点火要求。除此之外，还要能在恶劣环境下运行，保证较高的使用次数。做到体积小、重量轻，适合汽车的发展需要。为此，在电磁设计中要准确计算出M＝f (I )、n=f (I )、P=f (I )等转矩、转速、功率随电流变化的起动特性曲线。特别是起动机转矩和发动机点火时的转速和转矩尤为重要。
汽车起动机3　起动机电压的选取
  连续工作制直流电动机的电磁设计是以恒定电源电压为前提的，一般不考虑电源与电动机间连接导线的电压降。汽车起动机以蓄电池供电，在起动时输出低电压大电流，随着输出电流的变化，加在起动机两端的电压也在变化，从制动到空载，起动机两端的电压可相差1倍以上。因此，设计汽车起动机应以给定电源的伏安特性为依据，充分考虑蓄电池的内阻和线路压降，排除一切间接计算伏安特性的方法。
  当起动机额定数据的检查以足够容量的直流发电机组为电源供电时，施加到起动机上的端电压应符合下列伏安特性计算公式。
                              (1)
式中　I——起动机负载电流，A
  　C20——电池容量，A.h
  　k＝0.065，对1.1kW以下起动机
4　制动电流与额定电流的计算
  永磁起动机的等效电路如图1所示。
  Ra—电枢电阻，Ω　La—电枢漏电感，H　Rb—电磁开关电阻，Ω　Lb—电磁开关线圈电感，H　e—反电势，V　ω—机械角速度，rad/s
图1　起动机等效电路
  忽略电磁开关的影响时，可列写起动过程的动态方程为：
.                      　(2)
                        　(3)
  式中，J为起动机轴上的转动惯量，Nm；△Ua为电刷接触压降，V；Rω为阻尼系数，N.s/rad；M1为发动机阻力矩，N. m
e=kaΦaω                            (4)
      Mm=KmΦaia                          　(5)
  求解式(2)与(3)可得起动机的工作特性，但式(2)与(3)和气隙磁通Φa有关，而Φa又与电枢电流有关，故是一非线性方程组，根据起动机的工作特点可采用近似方法求解，即把整个起动过程看作是由不同的转速下的稳态情况构成的。由此，电流为：
                          　(6)
  Ua由式(1)求得。根据有关标准，起动机的最大功率定义为额定功率，由等效电路可推得：
      IN≈ Iq                            　(7)
5　气隙磁通与性能计算
  永磁起动机的磁场是永磁体提供的，气隙磁通的大小与起动机的工作特性密切相关。永磁体向外磁路提供的磁势不仅与本身的技术参数有关，而且与外磁导和电枢反应磁势有关。普通串激式起动机在制动时是高度饱和的，气隙磁通受电枢反应的影响不大，而永磁体两端的磁势取决于磁铁的工作点，与电枢反应有很大关系。受磁材料技术特性的制约，永磁起动机的磁通密度低于串激式，不是高饱和的。
  为了计算气隙磁通，可根据永磁材料的退磁曲线及磁路结构写出计算气隙磁通的数学模型，如图2所示。内漏磁通为：
      Φm=BrSm                            　(8)
图2　计算气隙磁通用图
  已知直流电机电枢反应磁势为：
      　Fa=AX                            　(9)
  式中，A为线负荷，X为到磁极中心的距离。在每个极下一半为去磁，另一半为增磁，故气隙磁通的计算也应分为两部分。
      　Φ0＝Φ0－＋Φ0＋                          (10)
      　Fad= Aat                          (11)
  由图2与式(11)可得：
                          (12)
                    　(13)
 
  Am为去磁部分主磁导，Λm＋为增磁部分主磁导。
  起动机的性能计算包括不同负载下电机的转速n和功率损耗∑P的计算，又包括输出功率P，转矩M、制动转矩Mq效率η的计算。所有这些计算都是在磁场计算基础上进行的。即在不同的负载电流I下，求出磁通Φ'm，磁密B 'm，由式(5)可求电磁转矩，除掉损耗之后，可得输出转矩。
6　线负荷与电流密度的确定
  永磁起动机的气隙磁通密度在制动时一般低于普通串激式起动机，而在额定点和空载时则高于普通串激式起动机。为了减少电机的体积与重量，提高转矩，一般希望选取较大的线负荷和电流密度。但电枢单位表面损耗qm与热负荷AIa成正比。由于qm直接影响到电机的发热与温升，因此，电机的温升也就与热负荷AIa的大小密机相关。在其他条件不变的情况下，为了避免电机的温升过度(尤其是钕铁硼永磁电机)，电机的线负荷A与电枢电流密度Ia的乘积不能超过一定的限度。
  当把铜铁作为等温发热体时，根据能量守恒原则，可得：
                        　(14)
  式中，C为电枢热容量，αθ为散热系数，S为散热面积，θ为温升。
  由式(14)可得电机的发热公式为：
                                　(15)
  冷却公式为：                            (16)
                          　(17)
  式中，θ∞为t=∞时的温升，θ0为电机断电时的温升。
  为了能利用连续运行直流电动机的热负荷曲线，定义热过载系数为：
                          　(18)
  式中，θw为连续运行电机的稳定温升，θa为永磁起动机的温升。
  参照其他反复短时运行电机与连续定额电机的关系，可得起动机的线负荷与电流密度的选择式为：
      　An=A                            (19)
      　an=Ia                            (20)
  由于起动机的工作时间tp和间歇时间tn都较短，所以电机在工作时达不到稳定温升，而在间歇时达不到环境温度。
  对于钕硼永磁起动机，还需用式(15)、(16)校核电枢表面的温度。对最高使用温度在150°C以下的钕铁硼永磁，电枢表面温度不得超过100°C。
7　结　语
  永磁汽车起动的工作过程是一个动态过程，无稳态而言，其性能应从动态方程求解。但手工求解动态方程是很繁杂的。随着计算机的发展，这一方法必将得到推广和应用。