永磁汽车起动机的设计特点

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1、微电机MICROMOTORS1999年第1期No.11999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

2、。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

3、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。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

4、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

5、.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

6、.me=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

7、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

8、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