【正文】 ..........................11 啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ................................................................... 12 第三章 ISG 發(fā)展趨勢(shì) ............................................................................................. 19 引言 ................................................................................................................ 19 ISG 及其相關(guān)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r ......................................................................... 19 ISG 技術(shù)的發(fā)展 ................................................................................. 19 國(guó)外 ISG 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 .................................................................... 20 國(guó)內(nèi) ISG 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 .................................................................. 21 總結(jié) ............................................................................................................................. 24 致謝 ............................................................................................................................. 25 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................... 26 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第一章 緒論 引 言 本章將首先介紹起動(dòng) /發(fā)電一體化系統(tǒng)的發(fā)展背景及研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上提出本課題的研究意義和方案選擇的理由?，F(xiàn)在，已有幾家公司開始量產(chǎn) ISG， 德國(guó)零部件制造商大陸（ Continental）公司下屬的 Tocher 公司首先開發(fā)出了 ISAD（ Integrated Stater Alternator Damer）系統(tǒng)，并于 1997 年裝機(jī)試驗(yàn)，大陸公司因此而獲得 1997 年度工業(yè)革新獎(jiǎng)， 1999 年在法蘭克福國(guó)際展覽會(huì)上， ISG 作為汽車系統(tǒng)零部 件首次亮相。電機(jī)是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，目前可選擇的主要有異步電機(jī)、永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和爪極電機(jī)。由于開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子沒有繞組和永磁體，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)溫度不敏感，電機(jī)的最高運(yùn)行溫度取決于絕緣系統(tǒng)，因此其高溫環(huán)境的運(yùn)行能力優(yōu)良。又因無需勵(lì)磁電流，省去了勵(lì)磁損耗，提高了電機(jī)的效率和功率密度?；旌蟿?lì)磁永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子上的永磁體和定子上的直流勵(lì)磁繞組共同提供，調(diào)節(jié)直流勵(lì)磁繞組就可以調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)。 2）質(zhì)量和體積與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車飛輪相當(dāng)，連續(xù)功率： 8— 10KW，峰值功率 15KW 左右，發(fā)電狀態(tài)效率大于 70%，電動(dòng)狀態(tài)效率大于 80%，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)間小于 。 ISG 的功能 （ 1） 自動(dòng)起停功能 傳統(tǒng)的車用起動(dòng)機(jī)只將內(nèi)燃機(jī)加速至起動(dòng)轉(zhuǎn)速 (例如200r/min)， ISG 作為電動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi) (通常加速時(shí)間僅為 ～ s)將內(nèi)燃機(jī)加速至怠速轉(zhuǎn)速 (例如 800r/min)，然后內(nèi)燃機(jī)才開始 缸內(nèi)的燃燒過程。普通車用發(fā)電機(jī)通常由內(nèi)燃機(jī)曲軸通過皮帶驅(qū)動(dòng)，最大輸出功率僅為 ～ kW，發(fā)電機(jī)的最大效率為 70%，而高速時(shí)僅為 30%，無法滿足現(xiàn)代汽車電子產(chǎn)品功率需求。不同結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力系統(tǒng)，對(duì)動(dòng)力部件參數(shù)的匹配具有不同的要求。 對(duì)于電動(dòng)汽車而言，由于電能是由各類電池提供，價(jià)格昂貴而彌足珍貴，所以使用相對(duì)效率最高的永磁無刷電機(jī)是較為合理的，它已被廣泛用于功率小于100kW 的現(xiàn)代電動(dòng)汽車上。 IGS 的發(fā)電機(jī)最大輸出功率為 8kW,在整個(gè)速度范圍內(nèi)輸出效率高于 80%,而傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的最大輸出功率是 ,最大效率為 70%。為此，西門子 VDO 汽車公司研發(fā)出這一一體化解決方式。所以接下來的考慮涉及到了直接啟動(dòng)的 42V 啟動(dòng) /發(fā)電機(jī)。對(duì)于發(fā)電機(jī)來說，要求達(dá)到 4 一 10kw 的功率，顯然已超過了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的極限。甚至再生制動(dòng)也與高功率相關(guān)連。當(dāng)汽車起步時(shí)，電機(jī)把發(fā)動(dòng)機(jī)快速拖轉(zhuǎn)到怠速轉(zhuǎn)速以上噴油點(diǎn)火。因此根據(jù) ISG 電機(jī)工作條件，需要確定的參數(shù)包括：峰值功率、最大轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速和額定功率。 ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)中， ISG 電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)在同軸上進(jìn)行轉(zhuǎn)矩合成，因此電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間速比為 1， ISG 電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速應(yīng)等于或大于（主要考慮 ISG 電機(jī)的功率儲(chǔ)備）發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速，即： maxn和maxen其中： nmaxn、maxen— 電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速。一方面因?yàn)檫@時(shí)出現(xiàn)的摩擦力矩最大，另一方面因?yàn)樾铍娖吭诘蜏貤l件下限制了有效功率，所以，典型的 30℃ 時(shí)的冷啟動(dòng)扭矩要求在 100～ 300Nm 之間。但因?yàn)?ECU 可以安裝在車內(nèi)不同的位置上，因此具有較大的靈活性。 電刷上不加直流電壓，用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞使之逆時(shí)針方向恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈兩邊就分別切割不同極性磁極下的磁力線，而在其中感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)方向按右手定則確定。 從基本電磁情況來看，一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可工作為 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，只是約束的條件不同而已。這就是說，有刷直流電機(jī)的電刷起著電樞電流換向位置的檢測(cè)作用。因此，目前以星形連接三相橋式主電路的應(yīng)用最多。 下面具體分析發(fā)電時(shí)電機(jī)帶負(fù)載的運(yùn)行情況： 一般情況下，起動(dòng) /發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電過程中都是通過整流裝置向蓄電池或者其他設(shè)備 提供直流電的。任意時(shí)刻，總是電勢(shì)最高的相繞組和電勢(shì)最低的相繞組同時(shí)導(dǎo)通形成通路，所對(duì)應(yīng)的二極管相應(yīng)導(dǎo)通。也是由電樞、磁極、整流子三部分組成 , 由于串勵(lì)式電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大 , 故采用串勵(lì)式。勵(lì)磁 繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。一般電樞鐵心采用由 厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成，以降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)電 樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣 。因?yàn)閱蜗螂x合器內(nèi)外座圈間的間隙寬窄不等，當(dāng)啟動(dòng)機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)矩由套筒傳動(dòng)內(nèi)座圈，內(nèi)座圈則隨電樞一同旋轉(zhuǎn)。 （ 3）減速裝置上采用了塑料件 。 電磁開關(guān)： 電磁開關(guān)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 電磁開關(guān)主要由電磁鐵機(jī)構(gòu)和電動(dòng)機(jī)開關(guān)兩部分組成。線圈分別與殼體上的點(diǎn)火開關(guān)端子和搭鐵端子“ E”連接，固定觸點(diǎn)與起動(dòng)機(jī)端子“ S”連接，活動(dòng)觸點(diǎn)經(jīng)觸點(diǎn)臂和支架與電池端 子“ BAT”相連。 第 三章 ISG 發(fā)展趨勢(shì) 引言 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù) ISG(Integrated Starter Generator)即集成一體化起動(dòng) /發(fā)電機(jī)，也有的簡(jiǎn)稱為 ISA(Integrated Starter Alternator)或IMA(Integrated Motor Assist)，它形式上將傳統(tǒng)汽車中功能單一的起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)二者合而為一，但在汽車節(jié)油、排放、發(fā)動(dòng)機(jī)控制及能源管理等方面都有本質(zhì)的提升。由于 ISG 的介入，使得動(dòng)力總成零部件間可以得到更加良好的配合，可以實(shí)現(xiàn)杰出動(dòng)力性下的高效率、低油耗和更小的排放。根據(jù)國(guó)外的資料表明， ISG 技術(shù)對(duì)滿足今天及未來在解決電氣功率、提高效率及降低排放方面的要求是最理想的、最合適的。增加蓄電池的容量，在 42/14 伏或 42 伏電源系統(tǒng)中可蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 采用更大功率電動(dòng)機(jī)（ 10kw 以上），取代飛輪以及原有的起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)，這就是集成一體化啟動(dòng) /發(fā)電機(jī)技術(shù)。因此，國(guó)內(nèi)外許多著名的汽車公司都競(jìng)相研制、采用自己的 ISG 技術(shù)，以順應(yīng)節(jié)能、環(huán)保的世界大趨勢(shì)，提高自己的品牌競(jìng)爭(zhēng)力。 福特的另一款混合動(dòng)力車 Escape 也采用 ISG 并聯(lián)式結(jié)構(gòu)， ISG 電動(dòng)機(jī)的功率為 35KW，由 288 伏 NiMH 電池組供電（如圖 32） 沃爾沃，西門子， Delphi（ 如圖 33Boush）等汽車零配件公司也對(duì) ISG 技術(shù)進(jìn)行了研究，并且其產(chǎn)品已經(jīng)批量投入市場(chǎng)。 東風(fēng)汽車公司的 EQ7200HEV 混合動(dòng)力轎車采用 ISG 技術(shù)，其中 ISG 控制系統(tǒng)由中科院電工研究所為研制， ISG 電機(jī)使用永磁同步電動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)的大轉(zhuǎn)矩可達(dá) 178 Nm，能實(shí)現(xiàn) 4 倍弱磁、高效 (92%)電動(dòng)、高效 (94%)發(fā)電、快速狀態(tài)切換、調(diào)速、轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)等控制。 （ 2）． BISG 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)汽車的動(dòng)力總成相比改動(dòng)很小，13 可以在現(xiàn)有傳統(tǒng)的動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)上進(jìn)行很小的改動(dòng)獲得，大大減小了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，降低了成本。 BISG 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 BISG 系統(tǒng)對(duì)特定行駛工況下燃油消耗的減少有著突出的作用，適用于對(duì)價(jià)格較為敏感的經(jīng)濟(jì)車型，特別適合城市某些專門用途的車輛。通用汽車公司的 BAS 系統(tǒng)包括以下幾個(gè)組件，起動(dòng)發(fā)電機(jī)單元，新的發(fā)動(dòng)機(jī)附件 (兩個(gè)張緊輪和皮帶，用以承受發(fā)電機(jī)和起動(dòng)機(jī)的扭矩 )，一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊，42V 的鎳氫 (NiMH)蓄電池等。但對(duì)于設(shè)計(jì)中的有些具體運(yùn)算還不夠完善。 最后感謝各位老師和同學(xué)在百忙之中來聽我做畢業(yè)答辯，設(shè)計(jì)中存在許多問題和不足希望各位老師和同學(xué)批評(píng)指正。 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 能夠成功完成自己的課題，首先要感謝 尹新權(quán) 老師花費(fèi)很多寶貴時(shí)間來耐心指導(dǎo)我， 他 不光為我提供了良好的畢業(yè)設(shè)計(jì)的環(huán)境和條件，而且由于 他 的耐心指導(dǎo)使我在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中不僅學(xué)會(huì)了更多的書本及實(shí)踐知識(shí)， 使我明確設(shè)計(jì)思路并確定最終設(shè)計(jì)方案。 首先介紹了 ISAD 系統(tǒng)的研究背景及各國(guó)發(fā)展?fàn)顩r。 奇瑞集團(tuán)的國(guó)家節(jié)能環(huán)保汽車工程 技術(shù)研究中心，自主開發(fā)了奇瑞 BSG 混合動(dòng)力汽車，也采用了類似 BISG 的模式。 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 （ 5）．電機(jī)通過皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連；該傳動(dòng)方式可以節(jié)省空間，安裝方便，但是輸出功率較低，一般在輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)中采用。與原型車相比該車城市工況燃油經(jīng)濟(jì)性可提高 20%以上。油耗降低 30%以上，整車排放達(dá)到歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，續(xù)駛里程不小于 500KM，加速性能和同類內(nèi)燃機(jī)相當(dāng)，價(jià)格只比同檔次的傳統(tǒng)汽車增加不到 30%。 ISG 電機(jī)直接安裝在內(nèi)燃機(jī)曲軸輸出端，取代了內(nèi)燃機(jī)的飛輪。由于電動(dòng)機(jī)具有較大的功率，ISG 電動(dòng)機(jī)對(duì)汽車的動(dòng)力輔助具有重要的作用。但其缺點(diǎn)是顯而易見的，發(fā)電機(jī)功率小，功能單一，只能實(shí)現(xiàn)起 /停控制。電力電子技術(shù)、功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展對(duì)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展影響極大，新產(chǎn)品新技術(shù)的不斷出現(xiàn)使復(fù)雜的電機(jī)控制策略的實(shí)現(xiàn)成為可能。現(xiàn)代的汽車電源 42/14Volt 適應(yīng)了這種要求，預(yù)期在 23 年后可投入使用。蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 當(dāng)接通點(diǎn)火開關(guān)起動(dòng)擋時(shí)，電流從蓄電池政界經(jīng)過起動(dòng)機(jī)電源接線柱到電流表，在從電流表經(jīng)點(diǎn)火開關(guān)，繼電器線圈回到蓄電池負(fù)極。銅套外面安裝有復(fù)位彈簧，作用是使活動(dòng)鐵心等可移動(dòng)部件復(fù)位。 內(nèi)齒圈： 采用尼龍 66 材料 ,含有礦物質(zhì) ,增強(qiáng)了強(qiáng)度 ,同時(shí)起到中間支承作 用。 在起動(dòng)電動(dòng)機(jī)和齒輪軸之間采用減速裝置可以使起動(dòng)機(jī)在較高轉(zhuǎn)速和相同轉(zhuǎn)矩下 ,體積減小、質(zhì)量減輕。工作時(shí)踏下啟動(dòng)機(jī)踏板 , 驅(qū)動(dòng)杠撥動(dòng)接觸盤的推桿 , 當(dāng)小齒輪完全嚙人飛輪齒圈后 , 開關(guān)即接通 , 這時(shí)蓄電池電流便流經(jīng)啟動(dòng)機(jī)的電樞線圈和磁極線圈 , 于是啟動(dòng)機(jī)便驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn) , 使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。它是由許多線圈 (以下稱元件 )按一定規(guī)律連接而成，線圈采用高強(qiáng)度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同線圈的線圈邊分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。 電刷裝置 ： 電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的。用來接通和切斷電動(dòng)機(jī)與蓄電池之間的電路。兩 相導(dǎo)通狀態(tài)是由電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)差最大而形成的電流回路，而三相同時(shí)導(dǎo)通的狀態(tài)則是在換流過程中，繞組中電流由于電感的存在而不能馬上消失，而形成了另一個(gè)電流回路，一段時(shí)間內(nèi)三相繞組同時(shí)導(dǎo)通。 圖 24 所示為直流電機(jī)和二極管全波整流橋構(gòu)成的系統(tǒng)，功率管 T 用來進(jìn)行電壓的調(diào)節(jié) , 和 為負(fù)