变速无刷直流发电机电气控制设计

　　摘要：变速无刷直流发电机是一种新型的电气设备，其在汽车行业有着广泛的应用，可以为汽车中的用电设备提供工作电源。下面笔者对常用的电气控制设计方案进行简单的介绍，以供参考。

　　关键词：变速；无刷直流发电机；电气控制；设计

　　本文对发电机的主要性能指标以及特性进行了介绍，还对变速无刷直流发电机的电气控制设计进行分析，希望可以保证相关车辆在行驶的过程中也能保证输出稳定的电压。

　　1、发电机的主要性能指标

　　接线方式：直流双线

　　工作制：（s1）连续工作制

　　冷却方式：ICO1

　　额定输出功率：4-20kW（持续工作）

　　最大功率：6一30kW短时一工作）

　　额定电压：DC28V

　　建压转速：1350r/min

　　最高转速：6500r/min

　　转速变化范围：1500一6000r/min

　　绝缘等级：H

　　稳态电压调整率：≤2%

　　励磁方式：无刷励磁

　　旋转方向：顺、逆时一针均能工作

　　外壳防护等级：IP21

　　环境适应能力：储存温度：-40℃一+50℃

　　工作温度：一20℃一+500C

　　相对湿度不大于95%（+30℃时）

　　海拔≤4000m。

　　2、发电机的特性

　　2.1发电机的结构

　　直流取力发电机组主要由取力轴总成、发电机、发电控制器（安装在车内）等组成。考虑到发电机转速高达6000r/min，一般结构的发电机励磁线圈都固定在转子上，由于离心力的作用，线圈端部要承受很大的离心力，在振动环境下，线圈容易松动造成绝缘损伤，导致发电机损坏，发电机寿命低。为了提高发电机组的可靠性，发电机采用爪极结构，并采用无刷励磁方式，发电机转子中只有爪极在高速旋转，而发电机转子中的励磁线圈通过磁轭装在端盖上，并且静止不动产生轴向磁场。

　　发电机主要由发电机定子、爪极转子、励磁线圈、前后端盖、轴承、整流器、皮带轮等组成。通过控制发电机的磁场，控制发电机的电枢电压，进而控制整流后的输出电压。电压控制采用AVR自动电压调节器），自动电压调节器主要包括检测、比较计算、功率放大、校正和保护等环节。

　　2.2发电机电压控制

　　发电机自动电压调节器安装在发电机控制箱内，控制箱上设置有电压表、电流表、发电开关、供电开关等，控制箱上有手动和远控两种工作方式。远控时，可以通过通信接口接收车控主机的指令，进行发电和供电，并通过通信接口把发电机的电压、电流等运行参数信号传给车控主机。

　　电压调节器原理：发电机转子旋转时与其同轴的励磁机电枢绕组切割励磁机定子上的磁力线感生电势，经三相旋转整流桥整流后供发电机励磁主绕组激磁，发电机建立电压。自动电压调压器由电压信号检测微分整形环节、电压给定环节、PID调节环节、PWM脉宽调制环节、输出控制环节、旋转建压电路、过电压和过电流短路保护环节及工作电源等组成。

　　发电机主绕组的电压信号经过桥式整流变成一个脉动直流电压信号，该电压信号经过微分整形后与电压设定基准信号一起送到PID调节器，PID调节器输出信号经过PWM脉宽调制环节形成矩形波信号，通过驱动电路控制发电机励磁电流的大小。从而调节发电机输出电压，使发电机输出电压稳定在额定电压值。

　　3、变速无刷直流发电机电气控制设计

　　3.1直流发电机的电磁参数设计

　　为了保证变速无刷直流发电机的正常的运作，相关工作人员需要做好电磁参数的设计，保证正确的取值，这是一项繁琐的工作，而且需要考虑发电机的电磁特性，由于不同截面的磁通并不一样，还要考虑到爪极之间存在的漏磁通问题以及气隙磁场轴向不均匀的问题，在爪极的不同截面上，磁通变化并不一样，只有采用专业的技术，并设计出电磁计算程序，才能确定电磁参数的具体数值。在本文的案例中，介绍的是一种“高线负荷、低磁密、低电流密度”的方案，经过测试，这种方式有效减小了发电机的体积，减轻了发电机的重量，还提高了发电机的性能。在车辆中装备这种发电机，可以提高输出的功劳，从而保证用电设备正常的使用。

　　3.2爪极转子的尺寸与形状

　　爪极转子是发电机的重要组成部分，党励磁线圈通电后，会产生轴向磁通，而爪极旋转后会变为径向磁通，由于爪极转子的磁通分布比较特点，其是以立体状态进行变化的，而且磁密的大小是不断变化的，在不同的截面上，磁通密度并不一样，这种发电机具有几何结构，所以会产生三维磁路。设计人员根据发电机的这一特性，应对磁场分布进行测试，还要利用仿真技术对爪极转子的尺寸进行设计，保证爪极的形状符合设计要求。爪极电机需要有较大的功率，设计应以其为原则，避免漏磁产生，优化发电机的结构，比如采用并联磁场结构的方式。

　　3.3发电机控制器在全转速范围内和转速突变时电压稳定性的控制

　　发电机的转速在1500-1600r/min范围内变化，在全转速范围内和转速突变时电压稳定性的控制是个难题。发电机控制器由电压信号检测微分整形环节、电压给定环节、PID调节环节、PWM脉宽调制环节、输出控制环节、过电压和过电流短路保护环节及工作电源等组成。发电机电枢绕组的电压信号经过桥式整流变成一个脉动直流电压信号，该电压信号经过微分整形后与电压设定基准信号一起送到PID调节器，PID调节器输出信号经过PWM脉宽调制环节形成矩形波信号，通过调节发电机励磁绕组上的电压通断比调节发电机励磁绕组的电流大小，从而调节发电机输出电压，使发电机输出电压稳定在额定电压值。发电机调压电路框图如图1所示。

　　4、结语

　　本文对变速无刷直流发电机的性能指标进行了介绍，还对这种发电机的特性进行了分析，最后提出了变速无刷直流发电机的电气控制设计方案，通过测试证明，优化后的设计更加符合汽车用电设备的要求，而且适用性较强。发电机的性能与其结构有着较大的关系，设计人员可以从结构入手，并采用调压的手段，对发电机的性能进行优化。当前社会，对汽车发电机的电源供给以及功率有着较高的要求，只有设计出质量稳定、性能优良的发动机，才能更好的满足用户的要求，从而促进我国电机行业更好的发展。

　　参考文献

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