汽車發電懸架用發電機的選擇與設計

【摘 要】結合汽車振動能量回收發電懸架的技術要求，設計了懸架用永磁直流發電機，對發電機主要設計參數進行了計算，設計出的永磁直流發電機能夠滿足振動能量回收懸架的需要。

【關鍵詞】振動能量回收；發電懸架；發電機；設計

一、發電機的選擇

目前汽車常用的小型發電機主要有感應子發電機、電勵磁發電機和永磁發電機等，汽車振動能量回收發電懸架中的發電機工作在汽車的底部，是一個多塵的環境，此外由于路況的不同發電機的轉速變化頻繁。所以汽車振動能量回收發電懸架要求發電機耐塵能力強、轉子轉動慣量小，能量轉化效率高，可以選用永磁發電機。

二、永磁發電機主要參數計算

在進行發電機設計時，要確定發電機的額定工作轉速。額定轉速的確定，必須從發電機在整個轉速范圍內的效率以及最經常工作的轉速區間來綜合考慮。相同容量的發電機，其體積和重量隨著轉速的降低近似成反比例增加，這不適合懸架發電機的要求，需要分析發電機的常在的工作轉速區間，既要充分考慮震動能量利用效率，又要考慮到發電機的體積重量及轉動慣性等性能。本文設計的懸架永磁發電機的額定轉速取為4000r/min，發電機的零電流轉速和最高轉速分別選為600r/min和5000r/min。永磁發電機輸出電壓范圍選擇在20～28.5±0.5V之間。經過對目標車型所需振動阻尼功率的計算，發電機額定功率為400W。具體技術指標如下：輸出電壓為U=28V，輸出功率為PN=400W，額定轉速為NN=300r/min，輸出方式為直流，工作方式為斷續工作，工作溫度為-40℃～+80℃，零電流轉速為NZ=500r/min。

三、永磁材料的選擇

永磁材料經過磁化后，無需要外加能量就能在其周圍空間建立磁場，結構簡單，運行可靠，損耗少，效率高，發電機的尺寸和形狀受永磁材料的影響較大。常用的永磁材料有三種：鋁鎳鈷材料、鐵氧體材料、稀土材料，本設計選用NTP30H稀土釹鐵硼永磁材料，該材料的主要參數為：Br=1.12T，Hc=796 kA/m，（B·H）max=224 kJ/m3。因此該發電機轉子用釹鐵硼永磁材料。釹鐵硼永磁材料型號參數：釹鐵硼永磁材料牌號NTP-240，發電機工作溫度t=80℃，剩余磁通密度Br20（室溫20度），Br20=1.12T。釹鐵硼永磁材料工作溫度下的剩磁密度：B■=1+（t-20）■（1-■）B■，B■=1.04T，式中a■——B■的溫度系數a■=-0.12，IL——B■的不可逆損失率IL=0，釹鐵硼永磁材料的計算矯頑力為：Hc20=806.25KA/m，釹鐵硼永磁材料工作溫度下的計算矯頑力：Hc=1+（t-20）■（1-■）Hc20，Hc=748.2KA/m，釹鐵硼永磁材料相對回復磁導率：u■■=■×■=■■=■×■×10■，u■=1.1，式中u■為真空磁導率， u■=4π×10-7，釹鐵硼永磁材料在最高工作溫度時退磁曲線拐點位置：bk=0。

四、永磁體尺寸的確定

根據懸架發電機的性能參數及永磁材料的性能參數，根據經驗公式計算永磁體的體積：VM=225■×109mm3。式中，PN-發電機的額定功率，PN=400；σ0-漏磁系數，σ0=1.05；Kad-直軸電樞反應磁勢折合系數，Kad=■，ap-極弧系數，ap=0.75，Kad=0.38；KF-發電機短路時每極永磁體磁勢與直軸電樞反應磁勢，KF=■·■，其中，FMK-發電機短路狀態永磁體的磁勢，Fadk-發電機短路狀態電樞反應磁勢，KF=1.1；Ku-電壓波形系數，K■=■-■sinφ■，U■-發電機額定相電壓，E■-空載感應電動勢，cosφ-功率因數，計算得Ku=0.07；f-發電機的頻率，f=■=■=400Hz；Kφ-波形系數，當磁場分布為正弦時Kφ=1.1，；C-最大磁能利用系數，C=4bm0hmk，bm0-發電機空載時磁感應強度標值，bm0=■，λn-外磁路合成磁導；hmk-發電機短路時矯頑力標么值hmk=■，fadk-三相穩態短路時折合到轉子的直軸電樞反應磁勢的標么值。（BH）max-最大磁能積（BH）max=250KJ/m3。

本文通過對各種發電機性能的比較，選擇了適合汽車振動能量回收發電懸架的永磁發電機，確定了發電機的工作轉速范圍、額定功率、額定電壓等參數，為汽車振動能量回收發電懸架設計提供了一定的參考。

參 考 文 獻

[1]倪有源，李偉，鮑曉華，姜文東.42V汽車用永磁發電機的電磁設計[J].微特電機.2012（4）