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无铁芯轴向磁通永磁发电机在汽车中的应用
    我们为汽车发电机修改轴向磁通永磁发电机，该发电机具有无铁芯双定子结构，一个是固定的，另一个则能够被移动达到理想的性能。这提供了一种简单的机械方式来削弱通量，达到来加大发电机恒定输出功率的范围。励磁永磁体是安装在转子上，把绕组都集中在简单的圆中，实现非常低的正弦波谐波含量。我们已经通过三维有限元分析方法设计和研究出了这种发电机。实验结果与理论计算值相吻合。
  索引词：汽车，轴向磁通，无铁芯，流量减弱，永磁发电机。
I.介绍
     随着汽车电气化的发展，汽车对于电力的需求也在不断增加，这就意味着，提高汽车发电机的性能的必要性。在高磁场的稀土永磁领域（铷铁硼）已经获取了很大的进步，永磁铁的发现已经改变了现在电机的结构[1][2].比如，由日本东京日立金属公司生产的铷铁硼磁体，剩余磁通密度1.35-1.43（T），矫顽力为1018-1123（kA/m），最高BH-product of 342-390（kj/m3）[1].利用很少的稀土永磁材料，就可能获得较高的磁场强度。传统的电机结构加上现代的永磁材料，实现了电机行业的重大突破。
   现在，汽车普遍采用Lundell型发电机二极管整流技术[3][4]。由于传统的Lundell型发电机已经不能满足现在汽车的需求，目前新的期间正在研究中，来满足新的不断增长的能源需求。然而追求结构简单，节省材料，重量轻，高效率是目前研究的一大挑战。轴向磁通的电机是最合适。
    这种无铁芯结构消除了任何的铁磁材料，从而消除了涡流损耗以及磁滞损耗。由于中间的缺失，相比传统的电机，定子无铁芯轴向磁通永磁电机可以运行在更高的效率[6],[8]-[11].通过减少绕组，可以明显降低定子的重量。此外，通过编制无齿槽转矩来可以减小铁芯。本文重点是设计分析修改AFPM三项发电机。电机选型是基于高功率，无刷，低制造成本等几个优势，对常规的发电机进行改造的[7]。假设直流负载电压发生器为12V，导线的尺寸与Lundell型相反。这样来做三维有限元和空间谐波分析，由于结构简单能够控制输出电压和低量谐波，可达到更高的效率。这种发电机能够更适合汽车。
II. 建模与设计
     图一示意了AFPM发电机的示意图，图中包括含有两个定子和三个转子。在两个转子的中间其次1mm中安装了两个无铁芯定子盘陀，在转子的两侧安装永磁材料，该材料是铷铁硼材料，另一个则是在中间增加了一个定子块，同时也在加入的定子两侧再加永磁体，具体结构见图1.
  每个定子的集中电枢线圈是粘到非磁性，不导电的材料上，比如骨纤维就不导热，抗压。就像前面所提到的，一个定子是固定的，其他的能够转动。

            
               
                图1机械模拟结构

                     图2.磁通路径
将两个定子绕组串联，由此产生的电压可以得到[6]：

其中 是在两个盘陀之间的机械相移，p是极对数。如果机械相移为零，就可以得到最大的电压，适合低转速。在高转速中，在两个定子盘陀之间的相移是通过在输出端获得所需的电压来增大的，换言之，一个固定的电压输出范围就能被扩大。使用这种机械装置能够优化电力电子装置，要做到这一点，有必要用一个支点让“齿轮”的骨纤维板材反过来（图8）。
  通过二极管三相发电机得到所需要的12V的直流输出电压。发电机的开路电压又如下：
      
f ，Nphase，¢pole，分别是输出频率，每匝线圈数，和每极磁通。当然，低电压的二极管和总电阻也应考虑。
  输出的伏安特性[10]:
         
C0 ,D,L和ns=60f/p，分别是输出功率系数，定子平均直径，轴向长度和发电机的同步转速，输出系数与磁场和电动机负载有关。电动加载与Lundell电动机很相似[3]，[4]。
   使用圆形磁铁和线圈，能够实现电压的最大化和电阻电感的的最低。线圈的数量ncoil可以根据如下公式计算[13]
      
由(2)-(4),由于电机体积的限制，作者选择了八极，六个集中线圈的三相发电机作为研究对象。
   在图3，4中分别显示了，线性分析模型的示意图，矩形PMs到圆形的模型。磁通密度在气隙中的组成解析如下：
   
         
Tp (r)，dm，tm，Brem，和µr分别是在不同半径下的极间距，在圆周方向PM的宽度，PM的厚度，剩余磁通密度和PM的相对渗透率。
   假定流量的变化，感应电压是正弦的
            

                    图3.原理分析模型

                  图4.降矩形改变成圆形

                图5.线圈的几何形状

                        图6.直流负载和它的等效电路

ri和 r0分别是电枢线圈的内外半径。
  图5中表示了线圈定子的几何形状。为了计算阻力，我么假定线圈每匝数Ncoil
是的平均每匝线圈的半径。为了计算漏感，假定，由线圈在气隙部分产生的磁通密度是在轴线方向的[13]。由于主要气隙（两个转子之间的距离）是在轴线方向的，但是在这里，我们提出这一假设来简化电感计算。
电阻和电感线圈的计算如下

acs 和 rcm分别表示导线横截面积，线圈的平均半径。由于在线圈之
间的微弱的感应，定子电阻和电感的值如下[：

Rs ， Ls，和Ns，phase分别表示电阻，电感，线圈总匝数。
图6表示了，应用于汽车中的电路及其等效模型。等效电路参数以及发电机的效率如下所示[13]：




                       机器的详细结构
其中Rdc ，Roverlap ， Vdc，Vd和?分别表示直流电阻，由于二极管整流作用的等效电阻，开路直流电压，输出直流电压和效率[13]。
Ⅲ.原型生成及仿真
   为了验证，建立一个电机模型。在不同转速下，测量发电机带载性能。电机的详细结构如图7，8显示。根据（1）每一边两个平行的线圈都被串联起来.通过小的促动器能够打开其中的一个定子来获得所需的电压和性能。

                        图9 发电机的网状结构模型
     图9 表示了发电机的一半的网状结构。因为存在对称性，所以对机械结构的一半进行充分分析。由于三维有限元的动态计算该模型被分成移动和静止的两个部分。再该模型中，盘陀被放置在网状结构中，转子是静止的。这样做能够简化模拟程序。
     图10表示了两个盘陀的位置关系。一个定子是静止的的，另一个是可以移动的来达到输出直流电压的目的。图11表示了12V直流发电机在无负载情况下从0转/分钟速增加到12000转/分钟，所需的电角度的相位移。很明显，在有负载下得到12V电压的条件。
                  
                    
                  图10。盘陀在0度角和大于0度角时的相移.

                      图.11.发电机的相位差与速度关系
由于在发电机上的电压降和整流电路的存在，曲线转向右侧。
    图12和13显示了在回铁和PMs中的磁通密度。由于粗的网格密度和数值误差，在某些部位的数字的变化不是平滑的。可以看出，在回铁中的磁通密度是小于1.8T，说明该磁铁还在未饱和状态。
    图14中显示了在两个盘陀之间当发电机在无负载而且零相移时转速达到1000r/min输出电压理论值与实验值的比较，结果是大致相同的。
   
                       图.12.在磁铁中的磁通密度分布

              图.13.在配色系统中的磁通密度
在图14中空载输出电压实验的谐波分析如图.15.中显示。总谐波电压（总谐波失真）是小于7.8%，这个数值是适当的。
    图16.和图17.分别显示了利用三维有限元分析磁通量密度和分析方法。从数字推导来看结果比较理想。在永磁体之间10mm的气隙中最大的磁通是0.63T，对于无铁芯芯电机是很合适的。
    图18和19分别显示了发电机在1000r/min时的效率和直流输出电压。最大的误差小于8%. 主要的损耗还是在于定子的铜耗。正如我么所期望的，图表是线性的，因为在定子铁中的电枢反应是很微弱的。假设汽车发电机的转速平均在2000r/min，在额定负载时12V的直流电压是理想值。通常汽车发电机的启动速度达到了2000（rpm），所需的直流电压是12V。由于绕组是弯曲的,这就意味着在相同的条件下，相比常规的Lundell发电机我们可以获得更高的电流值。图20显示了电机在无负载实验中其达到2000r/min时电压是接近正弦波的。图21和22分别描述了在不同负载下理论上输出电压以及效率与直流电流的关系。


图.14.三维有限元比较实验和电机在1000r/min无负载时电压分析。（a）实验；（b）三维有限元：以及（c）分析方法。

图.15.在1000r/min电压的谐波频谱。
可以从图中得出，负载电流高于25-A输出的电压高于12V。在负载电流是10-A时效率高出80%.定子之间的相移需要保持输出12V的电压。  
           图16.  利用三维元得到磁通密度圆周距离的变化关系
            



              图17.对磁通密度与圆周距离变化的分析

图18.在1000r/min时，发电机的理论效率与负载电流关系

图19.在1000r/min时，发电机的理论输出电压与负载电流关系

图20.在2000r/min时，发电机无负载时的输出电压

图21.在2000r/min时，在有负载时的理论输出电压。

图.22.在2000r/min时，发电机的理论效率与负载电流关系
                      Ⅳ.结论
    这篇文章最重要的目的就是介绍，研究以及验证轴向磁通汽车发电机改良后的结构，其主要的优点就是：用料少，制造成本低，机器坚固。尤其是在高速运转中，这种无刷发电机更具优势。由于其结构 简单，电压的可控性，以及非常低的谐波分量，所以建议选用这种发电机来代替常规的Lundell发电机。由于该发电机定子没有铁芯，电枢反应非常小，有利于发电机在短路条件下特别是在高速运转中行驶。这种结构能有效降低损失和减少温度的上升，使得其效率更高。

jxt6611

没图啊？？？？就没法看懂了啊

lhzc4410

楼主能否将东西上传了，大家共享一下，谢谢啦