五相稀土永磁發(fā)電機(jī)及控制器設(shè)計(jì)

SHANDONG畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書五相稀土永磁發(fā)電機(jī)及控制器設(shè)計(jì)學(xué) 院：電氣與電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動化0801班 學(xué)生姓名： 鄭秀征 學(xué) 號： 0812106883 指導(dǎo)教師： 杜欽君 2012年6月摘 要摘 要隨著汽車行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，對車用電機(jī)的要求也越來越高。目前車用電源多為硅整流發(fā)電機(jī)的14V電源系統(tǒng)，其已不能滿足車內(nèi)的電器用電量。本課題設(shè)計(jì)的五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)42V電源解決了此問題。五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)，無勵磁繞組發(fā)電效率高，加之具有多相發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢電壓波形波動較小運(yùn)行穩(wěn)定。本課題主要設(shè)計(jì)了三方面的內(nèi)容。首先，由發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)出發(fā)設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)的定子和定子沖片尺寸、定子繞組、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子尺寸、永磁體的選擇和磁極尺寸計(jì)算等問題。其次，應(yīng)用Ansoft maxwell電磁場仿真軟件，對發(fā)電機(jī)的靜磁場進(jìn)行了仿真。建立發(fā)電機(jī)的幾何模型，給模型各個(gè)模塊定義材料屬性，設(shè)置激勵源和邊界條件，設(shè)置求解參數(shù)。求解分析之后，觀察了發(fā)電機(jī)的磁力線分布圖和磁通密度分布云圖，通過觀察磁場分布驗(yàn)證了電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)優(yōu)化了電機(jī)定子外徑尺寸。最后，設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)的穩(wěn)壓控制器?？刂破鞯闹麟娐窞槲逑嗳珮虿豢煽卣麟娐泛椭绷鹘祲簲夭娐?，通過檢測電壓偏差信號，由單片機(jī)控制來改變降壓斬波電路觸發(fā)脈沖的占空比，即通過控制NMOSFET管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間來達(dá)到穩(wěn)壓要求。關(guān)鍵字：五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)，Ansoft Maxwell，穩(wěn)壓控制器IAbstractAbstractAlong with the development of the auto industry technology and the requirements of the motor vehicle is more and more higher. Vehicle power supply at present mostly for silicon rectifier generator of 14V power supply system, and its already cannot satisfy the electric power consumption of the car. The subject design five phase permanent magnet synchronous generator of 42V power had solved this problem.Five permanent magnet synchronous generator, without the field winding power efficiency high, in addition the advantage of multiphase generator so its voltage waveform swings have less stable operation. This topic has three aspects of the design content. First, based on the rating data of the generator，designed the stator and stator size, stator winding, rotor structure and rotor size the choice of permanent magnet and the poles size calculation. Second, used the Ansoft maxwell electromagnetic field simulation software, the static magnetic field of generator is simulated. Established the generator geometric model, for each module definition model material attribute, set up incentive source and boundary conditions, set the solution parameters .After solving analysis, observed the generator field lines and magnetic flux density distribution cloud pictures, through the observation of magnetic field distribution verify the rationality of the design , and optimize the motor stator outside diameter size.At last, designed the generator voltage stabilizing controller. The main circuit of controller is five of the whole bridge which is not controlled rectifying circuit, and dc step-down chopped circuit, through the test voltage error signal, Single-chip microcomputer control the triggered pulse empty than of the step-down chopped circuit, that is, through control the NMOSFET tube conduction and shut off time to achieve voltage stabilizing requirements.Keywords: Five phase permanent magnet generator, Ansoft maxwell Voltage stabilizing controlIV目錄目 錄摘 要IABSTRACTII目 錄III第一章 緒 論11.1課題意義11.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢11.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀21.2.2國外發(fā)展現(xiàn)狀21.2.3發(fā)展趨勢31.3多相電機(jī)特點(diǎn)41.4課題主要任務(wù)4第二章 五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)62.1五相稀土永磁發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)62.1.1額定數(shù)據(jù)計(jì)算62.1.2永磁材料選擇72.1.3永磁體尺寸計(jì)算82.1.4轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和尺寸計(jì)算92.1.5定子和定子沖片計(jì)算112.1.6定子繞組設(shè)計(jì)152.2本章小結(jié)15第三章 五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)電磁仿真分析173.1Ansoft Maxwell173.2電磁仿真分析183.2.1構(gòu)建發(fā)電機(jī)幾何模型183.2.2材料的定義和分配183.2.3激勵源和邊界條件的設(shè)置。203.2.4求解選項(xiàng)參數(shù)設(shè)定223.2.5后處理分析233.3本章小結(jié)24第四章 五相稀土永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓控制器設(shè)計(jì)254.1穩(wěn)壓控制器控制方案選擇254.2穩(wěn)壓控制器單元電路設(shè)計(jì)264.2.1五相全橋不可控整流電路274.2.2斬波降壓電路274.2.3電壓信號檢測電路304.2.4A/D轉(zhuǎn)換電路314.2.5單片機(jī)控制器最小系統(tǒng)314.2.6PWM驅(qū)動電路324.2.7輔助電源設(shè)計(jì)324.3單片機(jī)控制算法334.4本章小結(jié)34總 結(jié)35參考文獻(xiàn)36致 謝37第一章 緒 論第一章 緒 論1.1課題意義隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對車用電機(jī)的性能要求也越來越高，其中能源節(jié)約在汽車行業(yè)日漸受到世界各國的重視。不少國家制定了十分苛刻的汽車耗油標(biāo)準(zhǔn)并將其納入法規(guī)范疇。例如美國在80年代就規(guī)定汽車的每百公里耗油標(biāo)準(zhǔn)為8.5L，到了90年代其標(biāo)準(zhǔn)降為7.2L，預(yù)計(jì)今后還要進(jìn)一步降低1。要達(dá)到耗油標(biāo)準(zhǔn)，必須減輕汽車的重量和改進(jìn)性能，對汽車關(guān)鍵零部件例如電機(jī)來說，其性能的提高與功能材料有著密切的關(guān)系1。采用高性能的稀土永磁電機(jī)，就可滿足車用電機(jī)的尺寸、重量和性能之間的協(xié)調(diào)要求。目前每輛汽車平均使用永磁電機(jī)高達(dá)17只，從可預(yù)見的未來看，車用稀土永磁電機(jī)的趨勢還將增加2。隨著汽車性能的提高，車內(nèi)的用電設(shè)備也是與日俱增。目前汽車使用的電源主要是14V的硅整流交流發(fā)電機(jī)，其發(fā)電效率較低，功率越來越不能滿足現(xiàn)代汽車電氣設(shè)備對電能的需求。42V的汽車電源系統(tǒng)可大幅度提高汽車的供電性能 3，基于稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的電源系統(tǒng)完全可以滿足汽車的用電需求，可以提高車用啟動電機(jī)的效率。目前汽車內(nèi)普遍使用的硅整流發(fā)電機(jī)是由電勵磁繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的，通過電勵磁繞組的電能只能有一部分轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電的磁能，大部分電能則由于勵磁繞組的自身發(fā)熱而消耗掉了，因此發(fā)電效率較低3。而無刷的硅整流發(fā)電機(jī)磁場氣隙較大，材料利用率低，電機(jī)本身漏磁通較大，成本較高。因此研制一種集穩(wěn)壓、整流于一體，電能消耗少、發(fā)電效率高、故障率低、適合于汽車使用的42V稀土永磁穩(wěn)壓發(fā)電機(jī)十分有必要。42V五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)，由稀土永磁材料產(chǎn)生磁場，沒有勵磁繞組因此效率較高。又加上我國稀土礦資源十分豐富，稀土礦的總儲藏量占世界儲量的85，被稱為“稀土王國”4。并且稀土礦石和稀土永磁的產(chǎn)量都居世界前列，充分發(fā)揮了我國稀土資源豐富的優(yōu)勢。因此大力研究和推廣應(yīng)用稀土永磁電機(jī)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益更具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢稀土永磁同步電機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用擴(kuò)大了永磁同步電機(jī)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用。高性能稀土永磁電機(jī)是許多新技術(shù)、高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。各種性能優(yōu)異的機(jī)電一體化產(chǎn)品如數(shù)控機(jī)床加工、中心柔性生產(chǎn)線、機(jī)器人、電動車、高性能家用電器、計(jì)算機(jī)等都有永磁電機(jī)的應(yīng)用。1.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)對于永磁發(fā)電機(jī)的研制相對起步較晚，但是我國稀土礦產(chǎn)豐富，對永磁電機(jī)的研制取得了長足發(fā)展，如今我國的稀土電機(jī)已遍布各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。對于車用永磁同步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，由于電機(jī)的磁場是恒定不可調(diào)的在穩(wěn)壓技術(shù)方面受到限制，近些年隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得發(fā)電機(jī)的電壓在不調(diào)節(jié)磁場的情況下可調(diào)，這大力推進(jìn)了永磁電機(jī)在汽車上的應(yīng)用。目前國內(nèi)正在研制多相車用永磁發(fā)電機(jī)。小功率永磁電機(jī)，90年代西北工業(yè)大學(xué)與閩東電機(jī)廠合作，開發(fā)生產(chǎn)0.8kW紡織用同步電動機(jī)，效率進(jìn)步5%，節(jié)電率提升了10%；大功率永磁電機(jī)，沈陽工業(yè)大學(xué)與沈陽電機(jī)廠合作研制出目前國內(nèi)容量最大的1120kW稀土永磁同步電動機(jī)，正在安排使用單位，進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)；風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)湘潭電機(jī)廠已研制成功的2MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，已應(yīng)用于內(nèi)蒙古卓姿風(fēng)電場。使得永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域得到了應(yīng)用；風(fēng)機(jī)水泵行業(yè)領(lǐng)域，水泵和通風(fēng)機(jī)等機(jī)械負(fù)載的應(yīng)用數(shù)量最大。這也是稀土永磁電機(jī)推廣應(yīng)用的主要場合。我國已在油井抽油機(jī)中推廣使用稀土永磁同步電機(jī)，取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益；電梯用永磁電機(jī)，國內(nèi)電梯制造商的電梯大都采用了永磁同步電動機(jī)驅(qū)動無齒輪曳引機(jī)，其效率可高達(dá)90%以上；多相電機(jī)研制方面，對多相電機(jī)調(diào)速傳動系統(tǒng)的研究起步較晚，國內(nèi)的各大高校例如，浙江大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院電工所、華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等高校和研究機(jī)構(gòu)均積極開展這方面的研究，但與國外相比，還存在一定差距5。1.2.2國外發(fā)展現(xiàn)狀國外特別是美、日等國對永磁電機(jī)的研制起步較早，技術(shù)也比較成熟。美、日引領(lǐng)了永磁材料的發(fā)展，對永磁材料的不斷研制使其符合永磁電機(jī)要求，才有了如今各式各樣的稀土永磁電機(jī)。整體上國外發(fā)達(dá)國家在航空用永磁電機(jī)、電力推進(jìn)系統(tǒng)、多相永磁電機(jī)研制方面具有優(yōu)勢。80年代，日本住友特殊金屬公司和美國通用汽車公司各自研制成功釹鐵硼永磁材料，其磁性能高于其他永磁材料，價(jià)格又低于釤鈷永磁材料，國外研究、開發(fā)重點(diǎn)從軍用永磁電機(jī)轉(zhuǎn)向了產(chǎn)業(yè)和民用永磁電機(jī)；稀土異步電動機(jī)的應(yīng)用，英國三相異步電動機(jī)的用電量占電動機(jī)總用電量的86%。美國和歐盟在37kW以下的電動機(jī)臺數(shù)占總裝機(jī)臺數(shù)的95%；NdFeB永磁材料電機(jī)的應(yīng)用，NdFeB制造的電機(jī)具有常態(tài)和動態(tài)特性良好、效率高和節(jié)能的多重優(yōu)點(diǎn)6。美國已將14種汽車改用為NdFeB稀土電機(jī)，并要逐步實(shí)現(xiàn)汽車電機(jī)“NdFeB化”；奔馳公司宣稱近年內(nèi)要將三分之一的汽車電機(jī)改為NdFeB電機(jī)；豐田公司也聲稱要用汽車電機(jī)的NdFeB化來爭奪汽車市場的30；美國在航天航空領(lǐng)域，已研制成驅(qū)動航天飛機(jī)升降副翼用的12.6kW，9000r/min稀土永磁無刷直流電動機(jī)，效率為95；國外在電力推進(jìn)系統(tǒng)領(lǐng)域中普遍采用永磁電機(jī)作為系統(tǒng)的推進(jìn)電機(jī)。德國西門子已制成了由64V變頻電源供電的1095kW、230r/min的稀土永磁同步電動機(jī)；俄羅斯最近也試制成功3500kW的大型稀土永磁同步電機(jī)；多相永磁電機(jī)研制方面，以英國的利物浦約翰摩斯大學(xué)、美國的德州農(nóng)機(jī)大學(xué)、和意大利的都靈理工學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)所發(fā)布的研究成果最為典型。許多電機(jī)與傳動相關(guān)的國際會議開設(shè)了多相電機(jī)和驅(qū)動主題，IEEE工業(yè)電子匯刊也設(shè)立了關(guān)于多相電機(jī)和驅(qū)動的特刊7。1.2.3發(fā)展趨勢隨著稀土永磁電機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展其行業(yè)逐漸呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢： (1)機(jī)電一體化方向。高性能稀土永磁電機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的基礎(chǔ)。如數(shù)控機(jī)床用伺服永磁電機(jī)，計(jì)算機(jī)用VCM音圈電機(jī)等。(2)高性能方向?，F(xiàn)代化裝備制造業(yè)的發(fā)展向電機(jī)工業(yè)提出了各種各樣的高性能要求，這也正促進(jìn)了高性能電機(jī)的研制。如軍用高性能信號電機(jī)、航空航天用高性能、高可靠性永磁電機(jī)，化纖設(shè)備用高調(diào)速精度變頻調(diào)速同步電動機(jī)， 數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人用高調(diào)速比稀土永磁伺服電機(jī)及計(jì)算機(jī)用高精度擺動電機(jī)及主軸電機(jī)等等。(3)專用電機(jī)方向。專用電機(jī)是根據(jù)不同的負(fù)載特性而沒計(jì)的。如油田使用的抽油專用稀土永磁電機(jī)，節(jié)能率提高了將近20。(4)輕型化方向。航空航天產(chǎn)品、電動車輛、數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)、視聽產(chǎn)品、醫(yī)療器械、便攜式光機(jī)電一體化產(chǎn)品等電機(jī)都具有體積小、重量輕的特點(diǎn)。1.3多相電機(jī)特點(diǎn)與三相電機(jī)類似，根據(jù)運(yùn)行原理的不同，多相電機(jī)主要可以分為多相感應(yīng)電機(jī)和多相同步電機(jī)兩大類。多相電機(jī)由于相數(shù)的增多具有很多的優(yōu)勢。起特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：(1)效率高。效率高主要是因?yàn)槎ㄗ鱼~耗比較小。在其他相同的情況下，多相電機(jī)的繞組系數(shù)隨著相數(shù)的增大而增大，則產(chǎn)生同樣轉(zhuǎn)矩的基波電流減小，定子的銅耗也就降低了。(2)轉(zhuǎn)矩較平穩(wěn)。波動轉(zhuǎn)矩是由氣隙磁場諧波相互作用產(chǎn)生的。電機(jī)相數(shù)增大，可以消除低次磁動勢諧波，使繞組磁動勢中的諧波含量顯著減小。使得由其引起的轉(zhuǎn)矩波動頻率增大幅值減小，轉(zhuǎn)矩較平穩(wěn)。(3)轉(zhuǎn)矩密度高。當(dāng)多相電機(jī)具有整距集中繞組即為非正弦多相電機(jī)時(shí)，在相同的電流有效值情況下，可以通過諧波電流注入來提高轉(zhuǎn)矩輸出。(4)容錯能力強(qiáng)、可靠性高。多相電機(jī)由于相數(shù)多，當(dāng)有一相或幾相出現(xiàn)開路故障時(shí)，電機(jī)仍能正常起動并降功率運(yùn)行，通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗钥梢跃S持高性能運(yùn)行。(5)更多的設(shè)計(jì)自由度。1.4課題主要任務(wù)(1)設(shè)計(jì)五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)。由發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)出發(fā)，設(shè)計(jì)計(jì)算發(fā)電機(jī)的基本數(shù)據(jù)。具體包括：永磁材料選擇、永磁體尺寸計(jì)算、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選擇和尺寸計(jì)算、定子繞組設(shè)計(jì)、定子和定子沖片計(jì)算等。初步確定了設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)的基本數(shù)據(jù)。(2)運(yùn)用Ansoft Maxwell對電機(jī)進(jìn)行靜磁場分析。建立發(fā)電機(jī)的幾何模型，設(shè)置模型不同模塊的材料屬性，設(shè)置激勵源和邊界條件以及求解參數(shù)之后，用maxwell2D求解器進(jìn)行求解。觀察求解結(jié)構(gòu)，通過求解得到的發(fā)電機(jī)的磁力線分布圖和磁通密度分布云圖，驗(yàn)證發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，并適當(dāng)優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)。(3)設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓控制器。具體包括：主電路五相全橋不可控整流電路設(shè)計(jì)、NMOSFET直流降壓斬波電路設(shè)計(jì)，電壓檢測電路設(shè)計(jì)，基于AT89S51的控制電路設(shè)計(jì)，觸發(fā)脈沖驅(qū)動電路設(shè)計(jì)。另外還簡單設(shè)計(jì)了控制算法和程序流程圖。穩(wěn)壓控制器的原理是，單片機(jī)得到電壓偏差信號后，適當(dāng)改變斬波降壓電路中NMOSFET管的觸發(fā)脈沖占空比，達(dá)到穩(wěn)壓要求。- 16 -第二章 五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)第二章 五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)本課題為五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)，其用途是為汽車內(nèi)電器提供電能。其采用五相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其有區(qū)別于三相發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)具有發(fā)電效率高，穩(wěn)壓性能好等優(yōu)勢。永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)要求的額定數(shù)據(jù)，主要解決以下主要問題：永磁材料選擇、永磁體尺寸計(jì)算、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算、定子繞組和定子沖片計(jì)算。本課題的設(shè)計(jì)參數(shù)為：(1)額定電壓42V；(2)額定功率500W；(3)額定轉(zhuǎn)速4000r/min(發(fā)電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速為2000r/min)；(4)相數(shù)為五相。2.1五相稀土永磁發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)2.1.1額定數(shù)據(jù)計(jì)算(1)額定公率：(2)相數(shù)m：m=5永磁發(fā)電機(jī)相數(shù)，五相定子繞組采用類星型連接，相鄰兩相之間相位互差72度電角度，線電壓是相電壓的1.1756倍。(3)額定相電壓：發(fā)出的是每相84V五相交流電，經(jīng)整流斬波之后將電壓穩(wěn)定為直流42V。(4)額定線電壓： = (2-1)(5)額定相電流： (2-2)(6)效率：(7)功率因數(shù)cos：cos=0.9(8)額定轉(zhuǎn)速：(9)額定頻率： (2-3)(10)冷卻方式：空氣冷卻(11)固有電壓調(diào)整率：2.1.2永磁材料選擇 (1)材料牌號：NTP-216(2)預(yù)計(jì)工作溫度t：t=80(3)剩余磁通密度：，溫度時(shí)的剩磁密度： (2-4)式中，的溫度系數(shù)；IL的不可逆損失率，。(4)矯頑力：工作時(shí)的矯頑力： (2-5)(5)相對回復(fù)磁導(dǎo)率： (2-6)式中，真空磁導(dǎo)率，。(6)在最高工作溫度時(shí)退磁曲線拐點(diǎn)位置。本課題選用的稀土永磁材料為釹鐵硼永磁材料NTP-216，室溫下剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.47T，磁感應(yīng)矯頑力可達(dá)992，最大磁能積高397.9kJ/。是目前磁性能最高的永磁材料。釹鐵硼資源豐富，價(jià)格便宜。但釹和鐵易氧化，需進(jìn)行涂層處理（環(huán)氧樹脂噴涂，電泳和電鍍?nèi)N方式），可選用環(huán)氧樹脂涂層抗溶劑，其抗沖擊能力，抗鹽霧腐蝕能力良好。2.1.3永磁體尺寸計(jì)算(1)極對數(shù)： (2-7)(2)永磁體段數(shù):(3)永磁體體積： (2-8)式中，電壓系數(shù)， (2-9)式中，由相對電壓（取1.3）和功率因數(shù)cos的大小決定，即取決于發(fā)電機(jī)外特性的硬度，此處的值為0.3；C永磁電機(jī)磁能利用系數(shù)，一般0.60.85，0.60.7，C一般取0.4；氣隙磁通波形系數(shù)，氣隙磁通波形為正弦波，取1.11；永磁材料的最大磁能積取200kJ/m；將直軸電樞磁動勢折算到轉(zhuǎn)子磁動勢的折算系數(shù)，取1.3；直軸電樞反應(yīng)磁勢折合系數(shù) (2-10)預(yù)估漏磁系數(shù)取1.2。在實(shí)際選用時(shí)，需留出適當(dāng)?shù)挠嗔?，一般加?0%左右，最終取。(4)永磁體磁化方向長度：(5)永磁體寬度：(6)永磁體軸向長度：(7)永磁體每極截面積： (2-11)(8)永磁體質(zhì)量： (2-12)式中，2.1.4轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和尺寸計(jì)算(1)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方式：切向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁路中，永磁體的磁化方向與氣隙磁通磁密的軸線方向垂直，并且永磁體遠(yuǎn)離氣隙。此磁路的漏磁相對比較大，但是由于永磁體的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，有兩個(gè)永磁體截面對氣隙提供每極磁通，提高了氣隙磁密，在極數(shù)較多時(shí)更為突出。所以適合于極數(shù)較多且要求氣隙磁密較高的永磁電機(jī)。永磁材料的抗拉強(qiáng)度很低，當(dāng)轉(zhuǎn)子尺寸較大或高速轉(zhuǎn)動時(shí)，其表面的離心力已接近或超過了永磁材料的抗拉強(qiáng)度，會導(dǎo)致永磁體出現(xiàn)破壞，因此需用套環(huán)式轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)。套環(huán)是一個(gè)高強(qiáng)度的金屬材料制成的薄臂圓環(huán)，牢牢套在轉(zhuǎn)子外圓上，將永磁體、軟鐵極靴固定在應(yīng)有的位置，以確保高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的可靠性。切向套環(huán)式如圖2.1所示。圖2.1 切向套環(huán)式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)示意圖a套環(huán)（磁性材料段）b套環(huán)（非磁性材料段）c永磁體d墊片e非磁性襯套f轉(zhuǎn)軸(2)氣隙長度： (2-13)不均勻氣隙，；空氣隙長度；非磁性材料套環(huán)厚度。氣隙厚度的選擇關(guān)系到電機(jī)的整體性能，但是如果氣隙太小會受制造工藝的限制，因此可取氣隙為1mm。(3)轉(zhuǎn)子外徑： (2-14)式中，= (0.61.6) 取0.3；可取78mm。(4)軸孔直徑：=25mm(5)轉(zhuǎn)子鐵芯長度： (2-15)式中，隔磁板厚度。(6)村套厚度： (2-16)式中，墊片最大厚度取1.5mm。 (7)極距： (2-17)(8)極弧系數(shù)：(9)極間寬度： (2-18)2.1.5定子和定子沖片計(jì)算 (1)定子外徑：(2)定子內(nèi)徑： (2-19)(3)定子鐵心長度：(4)定子槽數(shù)： (2-20)(5)繞組節(jié)距y：(6)短距因數(shù)： (2-21)式中，(7)分布因數(shù)（整數(shù)槽繞組）： (2-22)(8)斜槽因數(shù)： (2-23)式中，；。(9)繞組因數(shù)： (2-24)(10)預(yù)估空載漏磁系數(shù)：(11)預(yù)估空載磁通： Wb (2-25)(12)繞組每相串聯(lián)匝數(shù)： （匝） (2-26)式中， (13)每槽導(dǎo)體數(shù)： (2-27)式中，a=1為并聯(lián)支路數(shù)；單層繞組取。(14)實(shí)際每相串聯(lián)匝數(shù)N： (2-28)(15)估算繞組線規(guī)d： (2-29)式中，；為預(yù)估電流密度，；d可取0.64mm。(16)定子沖片設(shè)計(jì)采用平行齒梨形槽如圖2.2所示。定子槽口寬：定子齒寬： (2-30)式中，；。定子軛部高度： (2-31)可取。定子槽小端寬度： (2-32)定子槽大端寬度： (2-33)定子槽槽楔高度： (2-34)定子槽梯形高度： (2-35)圖2.2平行齒梨形槽（轉(zhuǎn)子沖片槽型）(17)槽滿率 槽面積： (2-36)槽絕緣占面積： (2-37)式中，槽絕緣厚度取0.25mm。槽有效面積： (2-38)槽滿率： (2-39)槽滿率指線圈放入槽內(nèi)后占用槽內(nèi)空間的比例，即指導(dǎo)線截面積占槽有效面積的比值，槽滿率不易太高，高了不易下線。2.1.6定子繞組設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的稀土永磁發(fā)電機(jī)極對數(shù)，相當(dāng)于1800電角度，相鄰的槽之間的電角度。采用整距繞組，導(dǎo)體感應(yīng)電動勢向量圖如圖2.3所示。 圖2.3五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)整距繞組槽電動勢星形圖2.2本章小結(jié)本章由課題給的稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)出發(fā)，設(shè)計(jì)了稀土永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，包括：永磁材料的選擇、永磁體用量和尺寸的計(jì)算、氣隙尺寸的選擇、轉(zhuǎn)子尺寸的計(jì)算、定子繞組和定子沖片的計(jì)算等。其中選擇了定子結(jié)構(gòu)為切相套環(huán)式，繞組為單層為整距繞組，定子沖片為平行齒梨形槽。電機(jī)的初步設(shè)計(jì)計(jì)算已完成。第三章 五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)電磁仿真分析第三章 五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)電磁仿真分析3.1Ansoft Maxwell Ansoft Maxwell是功能強(qiáng)大，計(jì)算精確，用于二維、三維電磁場有限元分析軟件。它可分析計(jì)算靜電場、 靜磁場、時(shí)變電場、渦流場、瞬態(tài)場、時(shí)變磁場和溫度場。可以分析電機(jī)、變壓器、永磁設(shè)備、傳感器、激勵器等電磁裝置的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、正常工況和故障時(shí)的運(yùn)行特點(diǎn)。Ansoft Maxwell軟件的計(jì)算方法是有限元發(fā)理論。有限元法是為了求解一些工程問題近似解的一種數(shù)值計(jì)算方法。這種方法就是將要求解的連續(xù)場分割為很多較小的區(qū)域，這些小區(qū)域稱為單元或者元素。所有單元的集合體就代表原來的場，然后建立每個(gè)單元的公式，再組合起來，就能求解得到連續(xù)場的解答。其實(shí)施過程為：(1)連續(xù)場的離散化；(2)選擇場變量模型；(3)確定單元特性；(4)集合單元特性得到方程組；(5)求解方程組。Ansoft進(jìn)行有限元分析的基本步驟為：(1)選擇求解器類型；(2)建模；(3)設(shè)置材料屬性（磁導(dǎo)率、介電常數(shù)、電導(dǎo)率等）；(4)設(shè)置激勵源和邊界條件；(5)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)剖分；(6)有限元計(jì)算；(7)后處理。3.2電磁仿真分析3.2.1構(gòu)建發(fā)電機(jī)幾何模型首先建立五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的幾何模型，本步驟包括：(1)確定模型的單位為毫米；(2)建立電機(jī)的定子槽幾何模型；(3)建立電機(jī)的定子單層繞組幾何模型；(4)建立電機(jī)的定子沖片幾何模型；(5)建立永磁體的模型(6)建立轉(zhuǎn)子軛模型；(7)建立轉(zhuǎn)軸模型；(8)模型顯示屬性設(shè)置。圖3.1電機(jī)的幾何模型3.2.2材料的定義和分配材料的屬性設(shè)置是通過材料管理器來實(shí)現(xiàn)的，在建立幾何模型時(shí)所有部件的材料屬性都默認(rèn)為真空vacuum。對永磁同步電機(jī)的靜磁場仿真需指定以下材料屬性，氣隙、繞組、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子軛、永磁體。步驟為：(1)定義氣隙的材料屬性；(2)定義繞組的材料屬性；(3)定義轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子軛的材料屬性；(4)定義永磁磁極材料屬性。氣隙的材料屬性設(shè)置為air，繞組的材料屬性設(shè)置為copper。這些材料在材料管理器里都有。但是對于定子鐵芯和轉(zhuǎn)子軛的材料非線性鐵磁材料和永磁體的材料需自己定義。定義非線性鐵磁材料DW-1。在材料管理器里單擊Add material。如圖3.2所示。圖3.2定義DW-1材料定義DW-1的BH曲線完成材料定義。如圖3.3所示。圖3.3定義DW-1的BH曲線定義永磁材料PM1。同理按照上述方法定義PM1,如圖3.4所示。圖3.4定義永磁材料PM13.2.3激勵源和邊界條件的設(shè)置。在磁場分析中，每個(gè)被分析的問題至少有一種激勵源，在本課題的電機(jī)磁場分析中有電機(jī)定子繞組電流源和永磁體兩種激勵源。永磁體激勵源在材料管理器中已經(jīng)定義并分配給了磁極，但要確定永磁體的磁化方向。還需定義繞組的電流源。定義永磁體的磁化方向。對十個(gè)磁極需要建立十個(gè)新的相對坐標(biāo)系以定義永磁體的磁化方向。如圖3.5所示分別對十個(gè)磁極選擇十個(gè)對應(yīng)的相對坐標(biāo)系。在PM1的材料屬性中將YComponent的值設(shè)為一，表示磁極的磁化方向?yàn)檠豗軸方向。 圖3.5定義永磁體的磁化方向給繞組進(jìn)行分相之后定義繞組電流源。電機(jī)的繞組采用單層整距分布式繞組，將50槽分別編號分成五組，對應(yīng)五相繞組。每相繞組按電流流向又分兩個(gè)線圈邊。電流方向定義如圖3.7所示。 圖3.6電機(jī)繞組分相 圖3.7定義繞組電流源邊界條件，電機(jī)求解域的外邊界機(jī)轉(zhuǎn)子軛與轉(zhuǎn)軸的交界都應(yīng)施加相應(yīng)的邊界條件，此問題中由于兩處邊界均為高導(dǎo)磁介質(zhì)與非導(dǎo)磁介質(zhì)的分界出，因此，施加磁通平行邊界條件即可，這也是電機(jī)分析中最為常用的邊界條件。邊界條件可選擇電機(jī)的轉(zhuǎn)軸和定子外徑之間的園域。建立的邊界條件如圖3.8所示。圖3.8邊界條件3.2.4求解選項(xiàng)參數(shù)設(shè)定除了計(jì)算電磁場外，還需確定電機(jī)轉(zhuǎn)子的電磁力、力矩及電機(jī)繞組的電感等參數(shù)，這些參數(shù)的求解須事先設(shè)定。(1)電磁力和力矩設(shè)置；(2)電感矩陣設(shè)置；(3)網(wǎng)絡(luò)剖分設(shè)置；(4)求解殘差設(shè)置；(5)分析自檢。 圖3.9電感矩陣設(shè)置 圖3.10剖分設(shè)置 圖3.11力及力矩設(shè)置求解殘差的參數(shù)可以選擇默認(rèn)設(shè)置，之后進(jìn)行分析自檢。3.12分析自檢3.2.5后處理分析當(dāng)自檢完成后如圖3.12所示，就可以啟動求解過程了。求解完成后可以觀察以下信息，統(tǒng)計(jì)信息、收斂信息、電磁力及力矩信息、電感及磁鏈信息、剖分信息及剖分圖、磁場分布信息（磁力線分布、磁通密度云圖）。圖3.13分析運(yùn)行中電機(jī)磁力線分布如圖3.14所示。由圖中電機(jī)磁場的磁力線分布可知電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是很合理的，漏磁比較少，符合發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求。圖3.14電機(jī)磁力線分布圖電機(jī)的磁通密度云圖如圖3.15所示。由電機(jī)的磁通密度云圖看，電機(jī)的整體設(shè)計(jì)還算合理。但是在定子外徑附近的很大區(qū)域內(nèi)磁通密度很低，這說明發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子外徑選擇有些過大，因此可以適當(dāng)減少定子外徑來避免浪費(fèi)多余的材料，還可以使發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)更合理。圖3.15電機(jī)的磁通密度云圖3.3本章小結(jié)本章主要內(nèi)容是使用ansoft軟件對五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的靜磁場進(jìn)行了分析。具體內(nèi)容包括，建立了發(fā)電機(jī)的幾何模型，對模型各模塊進(jìn)行材料屬性定義，定義仿真的激勵源和邊界條件，設(shè)置求解項(xiàng)參數(shù)，觀察發(fā)電機(jī)的磁力線分布圖和磁通密度云圖。由磁力線分布圖得出發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，發(fā)電機(jī)的漏磁很少。由磁通密度云圖得出發(fā)電機(jī)的定子尺寸過大，可適當(dāng)減小定子尺寸，進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。- 24 -第四章 五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓控制器設(shè)計(jì)第四章 五相稀土永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓控制器設(shè)計(jì)課題所設(shè)計(jì)的五相稀土永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能為五相交流電，需經(jīng)過二極管整流降壓為直流電，之后經(jīng)過直流斬波將電壓穩(wěn)定在42V才可供車內(nèi)其他電器使用。因此需設(shè)計(jì)穩(wěn)壓控制器來得到穩(wěn)定的電能。穩(wěn)壓控制器包括：五相全橋不可控二極管整流電路、直流降壓斬波電路、采樣電路、單片機(jī)控制電路、驅(qū)動電路、輔助電源電路等。4.1穩(wěn)壓控制器控制方案選擇針對發(fā)電機(jī)的穩(wěn)壓控制器我提出了兩個(gè)可行性方案，進(jìn)行比較分析。(1)整流相控穩(wěn)壓。主電路采用MOSFET全橋可控整流，用單片機(jī)控制晶閘管的觸發(fā)脈沖即改變觸發(fā)角來達(dá)到穩(wěn)壓的目的。圖4.1整流相控穩(wěn)壓控制器結(jié)構(gòu)框圖工作原理：由發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電，經(jīng)MOSFET全橋整流后變?yōu)橹绷麟姟榱诉_(dá)到穩(wěn)壓目的，對直流電壓進(jìn)行取樣檢測，取樣電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后送入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算之后，如果電壓值大于基準(zhǔn)值則增大脈沖觸發(fā)角，使得在一個(gè)周期內(nèi)MOSFET導(dǎo)通時(shí)間變短，則整流輸出電壓就會降低；如果取樣檢測的電壓值比基準(zhǔn)電壓值小則減小脈沖觸發(fā)角，使得MOSFET在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間變大，則整流輸出電壓就會變大。以此形成的負(fù)反饋控制閉環(huán)系統(tǒng)，可保證達(dá)到穩(wěn)壓目的。但是，對于法案一其有缺點(diǎn)，由于五相稀土永磁發(fā)電機(jī)則需要10支MOSFET管，對于脈沖觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)難度加大，如果單純用軟件實(shí)現(xiàn)需用到DSP則使設(shè)計(jì)變復(fù)雜。(2)整流斬波穩(wěn)壓。主電路采用全橋不可控整流，之后經(jīng)過MOSFET直流斬波電路。通過控制MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間即改變觸發(fā)脈沖的占空比來達(dá)到穩(wěn)壓的目的。圖4.2整流斬波穩(wěn)壓控制器結(jié)構(gòu)框圖工作原理：發(fā)電機(jī)的五相交流電經(jīng)全橋二極管整流之后，再經(jīng)過MOSFET降壓斬波電路得到42V直流電。當(dāng)電壓檢測電路檢測的電壓值比基準(zhǔn)電壓值大時(shí)則減小觸發(fā)脈沖的占空比，使MOSFET在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間變短，則斬波電路輸出的電壓就會降低；當(dāng)電壓檢測電路檢測的電壓值比基準(zhǔn)電壓值小時(shí)，則增大觸發(fā)脈沖的占空比，使MOSFET在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間增大，則斬波電路輸出的電壓值就會增加。以此形成的閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，可保證輸出電壓穩(wěn)定。對比以上兩種穩(wěn)壓控制器方案，由于放案二用的MOSFET管只有一個(gè)，管子的觸發(fā)脈沖設(shè)計(jì)比較很簡單，整體上電路實(shí)現(xiàn)比較簡單，因此本課題選擇方案二。4.2穩(wěn)壓控制器單元電路設(shè)計(jì)整體設(shè)計(jì)由控制電路和主電路組成，控制電路通過AT89S51單片機(jī)采集取樣電壓，與基準(zhǔn)電壓比較后改變觸發(fā)脈沖（觸發(fā)脈沖由單片機(jī)軟件編程產(chǎn)生）的占空比來控制MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間進(jìn)而來穩(wěn)定電壓。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4.2所示.4.2.1五相全橋不可控整流電路五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的每相電樞繞組的相電勢為 (4-1)其電壓幅值為： (4-2)五相全橋不可控整流波形電壓幅值為： (4-3)式中，U脈動幅度電壓；正弦半波幅值電壓。電壓平均值從積分得： (4-4)式中，輸出電壓平均值；線電壓有效值。每管承受的最高反向電壓為 (4-5)流過每個(gè)整流二極管管的平均電流為。其中為電路的輸出電流。二極管的選擇：二極管的整流電流為最大輸出電流的3倍左右，承受的最高反向電壓為最大峰值電壓的2倍左右。經(jīng)查表設(shè)計(jì)中的二極管選用P600G，其基本參數(shù)為，。整流電路圖如圖4.3所示。4.2.2斬波降壓電路采用電壓全控型器件MOSFET，當(dāng)管的門控電壓達(dá)到開啟電壓時(shí)，MOSFET完全導(dǎo)通；當(dāng)門控電壓低于開啟電壓時(shí)，MOSFET不導(dǎo)通，器件關(guān)閉。MOSFET具有自關(guān)斷、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、無二次擊穿問題等特點(diǎn)，適用于中低壓場合。加之，MOSFET的輸入阻抗高，驅(qū)動電路也比較簡單，本斬波電路選用NMOSFET管。濾波電路采用型的LC濾波，當(dāng)電流變化較大時(shí)，濾波效果較好。降壓斬波電路如圖4.4所示。圖4.3五相橋式不可控二極管整流電路圖4.4 降壓斬波電路選擇MOSFET管時(shí)要考慮管子類型，這里選擇N溝道的MOSFET，另外管子的耐壓值和電流值必須留有一定的余量，防止管子被擊穿或者燒壞。設(shè)計(jì)中選用NMOSFET管為2SK4126管，耐壓值為650V，容許流過的電流值為15A滿足要求。(1)電感、電容取值當(dāng)NMOSFET導(dǎo)通時(shí)，電感有電流流過，此時(shí)上的電壓為，因電感和電容無有功損耗，電感上的電流將從線性增加到。則電感上的電壓滿足 (4-6)式中，NMOSFET管導(dǎo)通時(shí)間；電感上的電流在期間內(nèi)的變化量，U輸出直流電壓。當(dāng)電感電流連續(xù)時(shí)，開關(guān)周期T (4-7)電感上的電流變化量為 (4-8)在一個(gè)周期內(nèi)，電容、電感和負(fù)載電流的瞬時(shí)值滿足關(guān)系式。電容上的電流在一個(gè)周期內(nèi)，電流瞬時(shí)值大小相同方向相反，因此電容電流的平均值為零。電感和負(fù)載電流平均值滿足 (4-9)整理(4-8)和(4-9)可得： (4-10)當(dāng)電感電流處于連續(xù)與不連續(xù)的臨界狀態(tài)時(shí)，則此時(shí)根據(jù)(4-10)式可以求出臨界狀態(tài)的電感值 (4-11)如圖4-5所示的電容電流波形可知，在一個(gè)周期內(nèi)的電流平均值為零，在半個(gè)周期內(nèi)，電容充電與放電的電荷量為 (4-12)所以當(dāng)電流處于連續(xù)狀態(tài)時(shí)，輸出電壓的紋波為 (4-13) (4-14)式中，降壓斬波電路的開關(guān)頻率；電路的截止頻率。由公式(4-14)可知，通過合適的選擇L、C值，在滿足的條件下，可以限制紋波電壓的大小。通過上述分析，可取開關(guān)周期T為，代入(4-11)中得到電感的臨界值。代入(4-14)中，求得電容的最小值。圖4.5電容的電流和點(diǎn)和量波形圖4.2.3電壓信號檢測電路電壓采樣電路采用簡單的電阻串聯(lián)分壓電路，之后經(jīng)過電壓跟隨器與單片機(jī)連接，加電壓跟隨器可以起到隔離與增大輸入電阻的作用。采樣信號在05V之間，采樣信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。電壓信號檢測電路如圖4.6所示。圖4.6電壓采樣電路取樣電壓： (4-15)則采樣信號在1.05V左右。可選為基準(zhǔn)電壓。4.2.4A/D轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)選用的核心控制芯片為AT89S51，需要將采樣反饋值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，才可以送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算。本設(shè)計(jì)采用ADC0809轉(zhuǎn)換芯片，電路圖如圖4.7所示。采用模擬通道零輸入，通過中斷方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。4.2.5單片機(jī)控制器最小系統(tǒng)單片機(jī)要對電壓信號進(jìn)行測量和計(jì)算，并產(chǎn)生PWM脈沖信號來控制NMOSFET的開通與關(guān)斷。通過電壓檢測信號與基準(zhǔn)電壓比較之后，相應(yīng)改變脈沖的占空比，從而控制輸出電壓穩(wěn)定。選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89系列芯片，AT89S51芯片兼容標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令系統(tǒng)，是一款高性能、低電壓的8位單片機(jī)。跟51系列相比，它的程序存儲空間增大，內(nèi)部FLASH變大，中斷源增多，可應(yīng)用在較復(fù)雜系統(tǒng)的控制中。復(fù)位電路采用上電按鈕復(fù)位電路，采用封裝好的晶體諧振器，為了降低噪音和提高系統(tǒng)整體性能，選取12MHz晶振。圖4.7單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換電路4.2.6PWM驅(qū)動電路開關(guān)管NMOSFET的驅(qū)動功率比較小，一般可采用三極管驅(qū)動。在連接驅(qū)動芯片前加上光電隔離，防止強(qiáng)電側(cè)的電壓回流，保護(hù)單片機(jī)。驅(qū)動電路如圖4.8所示。圖4.8 驅(qū)動電路圖4.2.7輔助電源設(shè)計(jì)汽車內(nèi)一般由蓄電池供電，蓄電池電壓一般為24V，設(shè)計(jì)中的芯片電壓有、，需通過DC/DC變換器將電壓變換為設(shè)計(jì)中需要的電壓。主要供D/A轉(zhuǎn)換芯片和AT89S51主芯片使用；作為運(yùn)放的電源及驅(qū)動芯片IR2101使用。本設(shè)計(jì)中電源使用芯片W7805。電源采用三端固定式集成穩(wěn)壓器W7815和W7915。(1)電源設(shè)計(jì)。采用W7815和W7915兩種芯片，得到所需的電壓，如圖4.9所示。圖4.9 15V電源(2)+5V電源設(shè)計(jì)。采用W7805芯片得到+5V電源。利用(1)中產(chǎn)生的+15V電源做W7805的輸入端電源。電路圖如圖4.10所示。圖4.10 +5V電源4.3單片機(jī)控制算法取樣電壓： (4-16)當(dāng)時(shí)則，則取基準(zhǔn)電壓為。取樣電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后送入單片機(jī)，之后計(jì)算得。(1)如果則表示此時(shí)，則取占空比。(2)如果表示此時(shí)，電壓比要求值高，此時(shí)應(yīng)減小占空比。首先計(jì)算（此時(shí)）則（比原來的占空比減小了）則經(jīng)過一段時(shí)間之后就會上升至42V。(3)如果表示此時(shí)，電壓比要求值低，此時(shí)應(yīng)增大占空比。首先計(jì)算（此時(shí)）則（比原來的占空比增大了）則經(jīng)過一段時(shí)間之后就會下降至42V。4.4本章小結(jié)本章提出了兩種穩(wěn)壓控制器的設(shè)計(jì)方案，通過對比選擇了全橋半控整流后直流斬波的主電路，通過控制直流斬波電路的觸發(fā)脈沖占空比來達(dá)到穩(wěn)壓的目的。之后分別設(shè)計(jì)了各個(gè)模塊的電路，包括：五相全控橋不可控整流電路，直流斬波降壓電路，電壓檢測電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)控制電路，NMOSFET驅(qū)動電路等。接下來有計(jì)算了單片機(jī)的控制算法。- 37 -總 結(jié)總 結(jié)汽車工業(yè)的發(fā)展帶動了稀土永磁電機(jī)的應(yīng)用，越來越多的汽車電機(jī)選擇了稀土永磁電機(jī)。本課題設(shè)計(jì)的為五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)，是汽車內(nèi)的供電發(fā)電機(jī)。其具有發(fā)電效率高，電壓穩(wěn)定等特點(diǎn)，適應(yīng)了汽車寬轉(zhuǎn)矩，高轉(zhuǎn)速的負(fù)載環(huán)境。是一款高效高性能的發(fā)電機(jī)，加之其為五相電機(jī)具有多相電機(jī)的優(yōu)勢，使發(fā)出的電壓更穩(wěn)定，運(yùn)行更可靠。本課題主要工作有以下幾個(gè)方面：(1)五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)。本章內(nèi)容主要計(jì)算了電機(jī)的參數(shù)，包括永磁體的選擇計(jì)算、永磁體的尺寸計(jì)算、定子結(jié)構(gòu)的選擇、定子參數(shù)計(jì)算、轉(zhuǎn)子繞組的選擇和計(jì)算、轉(zhuǎn)子尺寸的計(jì)算、轉(zhuǎn)子槽型的選擇和計(jì)算。詳細(xì)計(jì)算了電機(jī)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)參數(shù)，初步得到了電機(jī)的模型。(2)電機(jī)的電磁仿真。對設(shè)計(jì)的五相稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的二維磁場進(jìn)行了仿真分析。建立了發(fā)電機(jī)的二維磁場仿真模型，分析了電機(jī)的靜態(tài)磁場。通過分析靜態(tài)磁場，得到了電機(jī)磁力線分布圖和磁通密度分布云圖。通過磁力線分布圖驗(yàn)證了電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，通過磁通密度云圖進(jìn)一步優(yōu)化了發(fā)電機(jī)的定子外徑。(3)電機(jī)穩(wěn)壓控制器設(shè)計(jì)。提出了控制器設(shè)計(jì)的兩種對比方案，并選擇了不可控整流、斬波的主電路?？刂破靼ㄎ逑嗳珮虿豢煽卣麟娐贰⒅绷鹘祲簲夭娐?、電壓檢測電路、主控制電路、A/D轉(zhuǎn)換接口電路、脈沖觸發(fā)驅(qū)動電路。通過閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)的電壓檢測偏差信號來改變斬波電路的脈沖占空比，進(jìn)而達(dá)到了穩(wěn)壓目的。由于自己的時(shí)間和精力有限所以論文中的有些地方還需進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。具體表現(xiàn)在：(1)電機(jī)的參數(shù)優(yōu)化部