【正文】 電機(jī)如圖 25. 所示。 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成： 啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由三部分組成。當(dāng)換相重疊角小于 時(shí)，電機(jī)工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)兩種交替改變的工作狀態(tài)，即兩相導(dǎo)通狀態(tài)和三相同時(shí)導(dǎo)通狀態(tài)。 采用三相整流橋?qū)﹄姍C(jī)輸出電壓進(jìn)行整流時(shí)，三相電流會(huì)在電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)的作用下循環(huán)導(dǎo)通和截止，由于繞組電感的存在，電流不可能發(fā)生突變，這時(shí)就有電機(jī)三相繞組同時(shí)流過(guò)電流的情況出現(xiàn)，通常用換相重疊角來(lái)表示這段換相時(shí)間。電路中三相六只二極管組成了共陽(yáng)極連接組和共陰極連 接組，其導(dǎo)通狀況完全由繞組感應(yīng)電勢(shì)的相對(duì)大小來(lái)決定。 圖 24電機(jī)發(fā)電狀態(tài)帶負(fù)載等效電路圖 整流采用的是二極管電路，屬于三相不可控全波整流電路。理想情況下，輸出電壓應(yīng)該是沒(méi)有脈動(dòng)的。這里也主要討論的是經(jīng)過(guò)整流之后帶負(fù)載的情況。此時(shí)，定子繞組電流為零，電機(jī)端電壓 U 就是繞組的感應(yīng)電勢(shì) E。電機(jī)相當(dāng)于發(fā)電機(jī)，與傳統(tǒng)的電機(jī)不同，發(fā)出來(lái)的三相交流電要通過(guò)全波整流橋?qū)⑵湔鞒芍绷麟姟ｒ?qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)控制逆變橋各 功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。 電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。三相半橋 式電路雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但電機(jī)的本體利用率很低，每相繞組只通電 1/3 周期， 2/3 周期處于關(guān)斷狀態(tài)，繞組沒(méi)有得到充分利用，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也比較大。當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電樞繞組在主磁極 N、 S 之間旋轉(zhuǎn)時(shí)，電 樞繞組上感生出電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)電刷、換向器裝置整流為直流后，引向外部負(fù)載（或電網(wǎng)），對(duì)外供電，此時(shí)電機(jī)作直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行。 電機(jī)的運(yùn)行原理 : 電機(jī)起動(dòng) /發(fā)電系統(tǒng)的工作過(guò)程可分為兩個(gè)階段來(lái)考慮，第一個(gè)階段，由蓄電池供電，電動(dòng)機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，電機(jī)起動(dòng)；第二個(gè)階段，起動(dòng)完成后，由發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，向電氣設(shè)備供電。 電動(dòng)機(jī)的電樞繞組通常有三種接法，三相非橋式星形接法，三相橋式星形接法，三相封閉式橋式接法 (繞組為三角形接法 )。在有刷直流電機(jī)中，電刷不僅起著引導(dǎo)電流的作用，而且由于電樞導(dǎo)體在經(jīng)過(guò)電刷所在位置時(shí)，其中的電流要改變方向，所以電刷的位置決定著電機(jī)中電流換向的地點(diǎn)。 由于電刷的換向作用，使得這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向在直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。 眾所周知，一般的直流電動(dòng)機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)。在直流電機(jī)的兩電刷端上，加上直流電壓，將電能輸入電樞，機(jī)械能從電機(jī)軸上輸出，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能而成為電動(dòng)機(jī)，如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞，而電刷上不加直流電壓，則電刷端可以引出直流電動(dòng)勢(shì)作為直流電源，可輸出電能，電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能而成為發(fā)電機(jī)。同時(shí)也說(shuō)明子直流發(fā)電機(jī)實(shí)質(zhì)上是帶有換向器的交流發(fā)電機(jī)。如每極下的線圈數(shù)增多，可使脈振程度減小，就可獲得直流電動(dòng)勢(shì)。因?yàn)?，電樞在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，無(wú)論電樞轉(zhuǎn)到什么蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 位置，由于換向器配合電刷的換向作用，電刷 A 通過(guò)換向片所引出的電動(dòng)勢(shì)始終是切割 N 極磁力線的線圈邊中的電動(dòng)勢(shì)，因此，電刷 A 始終有正極性。這種電磁情況表示在圖上。 啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 直流電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。電機(jī)必須能耐大量的化學(xué)制品，這一要求涉及到全部電機(jī)部件，特別是繞組的絕緣部分。這些試驗(yàn)對(duì)電機(jī)的要求極高，電機(jī)必須能夠無(wú)妨害地吸收發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的震動(dòng)，甚至在高達(dá) 14000r/min 的轉(zhuǎn)速情況下出現(xiàn)的離心力也必須得到機(jī)械控制。 （ 2） 特殊邊界條件 在汽車(chē)的整個(gè)壽命期內(nèi)，一體化啟動(dòng) 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)必須保持其功效性。甚至對(duì)電子控制單元（ ECU）也有安裝體積限制。 除此之外對(duì)啟動(dòng) /發(fā)電機(jī)的要求 : （ 1） 機(jī)械限制 在車(chē)內(nèi)的安裝空間原則上有限制，尤其是對(duì)電機(jī)而言。確切地講，短時(shí)間內(nèi)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)了較高的功率，典型的再生功率為 15～ 20kW。啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)一般都與 高機(jī)械功率和高電功率相關(guān)聯(lián)，并且僅在短時(shí)間內(nèi)可行，有代表性的啟動(dòng)時(shí)間通常在 10～ 20s 之間。m ；當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)為 2020r/min 時(shí)，啟動(dòng)扭矩在 20～ 60N在啟動(dòng)時(shí)，同樣將把所需的扭矩視作轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)。 對(duì)于發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，要求達(dá)到 4～ 10kW 的功率，顯然已超過(guò)了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的極限。m 之間。特別是在低溫時(shí)，啟動(dòng)將變得尤為 困難。 .2 對(duì)一體化啟動(dòng) 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的獨(dú)特要求 因?yàn)橐惑w化啟動(dòng) 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)基本上由電機(jī)和電子控制單元兩部分組成，所以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所提的要求都涉及到了有效功率。但是隨著β值的增大，對(duì)電機(jī)支撐要求也隨之增大。 適用于電動(dòng)車(chē)輛使用的電動(dòng)機(jī)外特性為：在額定轉(zhuǎn)速rmn以下，電動(dòng)機(jī)以恒轉(zhuǎn)矩模式工作，額定轉(zhuǎn)速rmn以上，以恒功率模式工作，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值，稱為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū) 系數(shù)β對(duì)電機(jī)參數(shù)影響很大，在最大轉(zhuǎn)速確定的基礎(chǔ)上，隨β值增大，額定轉(zhuǎn)速越低，對(duì)應(yīng)的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩越高?？梢耘c電池參數(shù)選擇綜合考慮加以確定。 一般來(lái)說(shuō)，汽車(chē)實(shí)際駕駛過(guò)程中，加速和爬坡工況較少同時(shí)出現(xiàn)，電機(jī)的峰值功率計(jì)算可以簡(jiǎn)化為： ?3600m ax mgivpm ? （ ）或dtdvmvp m ??3600m a x ? （ ） 電機(jī)峰值功率的最終取值為兩式中的較大值。 ISG 電機(jī)功率的取值應(yīng)在滿足整車(chē)節(jié)能目標(biāo)值的前提下，從經(jīng)濟(jì)性和制造成本兩方面均衡考慮。 ISG 混合動(dòng)力汽車(chē)行駛時(shí)沒(méi)有純電動(dòng)工況，與發(fā)動(dòng)機(jī)功率相比，電機(jī)功率相對(duì)較小。具體來(lái)說(shuō)， ISG 系統(tǒng)要求電機(jī)能夠短時(shí)間（一般不超過(guò) ）起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，因此要求電機(jī)必須具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩以克服發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的阻力矩；功率補(bǔ)償要求在汽車(chē)加速或爬蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 坡需要大功率時(shí)電機(jī)能夠提供一部分功率，彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的不足，電機(jī)的峰值功率也是需要確定的參數(shù)之一；另外，由于 ISG 電機(jī)需要與發(fā)動(dòng)機(jī)在同軸上耦合，電機(jī)的 轉(zhuǎn)速也需與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配。從 ISG 混合動(dòng)力系統(tǒng)的功能要求可以看出，其主要的特點(diǎn)包括：低速大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)時(shí)提供輔助功率和制動(dòng)能量回收，在 選擇動(dòng)力部件參數(shù)時(shí)需要充分考慮這些因素。 （ 3）起步及大負(fù)荷助力 在起步及加速、爬坡等大負(fù)荷工況時(shí)，電機(jī)同發(fā)動(dòng)機(jī)一起提供轉(zhuǎn)矩，滿足轉(zhuǎn)矩不足及大負(fù)荷轉(zhuǎn)矩需求，保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)域。 （ 2）減速斷油 及制動(dòng)能量回收 汽車(chē)在減速行駛時(shí)，車(chē)速降到一定程度后，發(fā)動(dòng)機(jī)停噴，并進(jìn)行能量回收。 （ 1）怠速停機(jī)及快速啟動(dòng) 當(dāng)汽車(chē)停車(chē)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)立即停止噴油而不進(jìn)行怠速，即發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有怠速工況。這樣的結(jié)構(gòu)可以較好的利用汽車(chē)現(xiàn)有的安裝空間，不需要對(duì)傳動(dòng)系做大的改動(dòng)，是一種比較有前途的混合動(dòng)力模式。 ISG 系統(tǒng)構(gòu)成與主要功能 ISG 型混合動(dòng)力汽車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖 23 所示。確切地講，短時(shí)間內(nèi)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)了較高的功率，典型的再生功率為 15 一 20kw。啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)一般都與高機(jī)械功率和高電功率相關(guān)聯(lián)，并且僅在短時(shí)間內(nèi)可行，有代表性的啟動(dòng)時(shí)間通常在 10 一 205 之間。當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)為 2020r/niln 時(shí) ，啟動(dòng)扭矩在 20 一 60N當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)為 I000r/min 時(shí)，典型的啟動(dòng)扭矩將達(dá)到 50 一 120N一般把所需的發(fā)電機(jī)功率視作曲軸轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)。提供這么高扭矩的蓄電瓶功率一般限定在 5 一 7kw。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，典型的一 30℃時(shí)的冷啟動(dòng)扭矩要求在 100 一 300N為了啟動(dòng)發(fā)動(dòng) 機(jī)，必須具有最大扭矩。如圖 22 所示。在這種情況下，電機(jī)和整個(gè)系統(tǒng)大多要放在一起考慮，一方面要考慮冷啟動(dòng)時(shí)電源能夠提供的電瓶功率，另一方面還要考慮提供足夠高的發(fā)電機(jī)功率。但原則上 42V 啟動(dòng) /發(fā)電機(jī)也可以采用雙離合器系統(tǒng) 。 過(guò)渡到 42V 電源電壓可以顯著提高啟動(dòng) 發(fā)電機(jī)的功率。 此設(shè)計(jì) 是建立在 12V 基礎(chǔ)之上的帶有一個(gè)雙離合器系統(tǒng)的一體化啟動(dòng) 發(fā)電機(jī)。根據(jù)各汽 車(chē)制造商的意見(jiàn)，外部啟動(dòng) 發(fā)電機(jī)與電源電壓無(wú)關(guān)，一般只適用于傳送較小的功率。 如果可以選擇，人們情愿選擇外部解決方式，利用這種解決方式，電機(jī)經(jīng)過(guò)傳動(dòng)帶或齒輪傳動(dòng)變速與動(dòng)力傳動(dòng)系相連。出于價(jià)格原因，人們?cè)瓌t上力求盡可能簡(jiǎn)蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 單的機(jī)械結(jié)構(gòu)。 啟動(dòng) 發(fā)電機(jī)的基本方案 啟動(dòng) 發(fā)電機(jī)由兩部分組成：電機(jī)部分和電子控制單元（ ECU）部分。同時(shí) ,該系統(tǒng)支持 14 伏至 42 伏電源系統(tǒng) ,滿足目前正在日益提高的汽車(chē)電器負(fù)荷。它使汽車(chē)自動(dòng)協(xié)調(diào)啟動(dòng) /停止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換 ,從而提高燃油效率。本文將對(duì)比各種不同類型的啟動(dòng) 發(fā)電機(jī)，闡述由西門(mén)子 VDO 汽車(chē)公司（位于德國(guó)維茨堡）研制的采用異步發(fā)電機(jī)的啟動(dòng) 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。 由于常規(guī)發(fā)電機(jī)性能的限制，未來(lái)的 42V 車(chē)用電源不得不考慮采用新型的啟動(dòng) 發(fā)電機(jī)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)較新，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、成本較低、起動(dòng)性能好，沒(méi)有大的沖擊 電流，它兼有交流感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速和直流電機(jī)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是噪聲較大，但仍有一定改進(jìn)余地。 美國(guó)和德國(guó)開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)大多采用交流感應(yīng)電機(jī)，主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較低、效率高、重量輕，但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小。 電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)是所有電動(dòng)汽車(chē)必不可少的關(guān)鍵部件。將要討論的 ISG 混合動(dòng)力汽車(chē)從結(jié)構(gòu)上講，屬于輕度并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，可以在不改變傳統(tǒng)汽車(chē)變速器和驅(qū)動(dòng)橋的條件下由傳統(tǒng)汽車(chē)改裝而成，從而能有效的降低混合動(dòng)力汽車(chē)的制造成本和整車(chē)整備質(zhì)量，在提高汽車(chē)的性能方面具有重要意義。其動(dòng)力部件參數(shù)之間是否協(xié)調(diào)匹配將直接決定混和動(dòng)力汽車(chē)能否達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的要求，動(dòng)力部件參數(shù)的匹配是混合動(dòng)力汽車(chē)研究的一個(gè)重要內(nèi)容。 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第二章 啟動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 引言 混合動(dòng)力汽車(chē)由于在節(jié)省燃油和降低排放等方面具備的明顯優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到人們的重視。 ISG 取代飛輪的作用，可以通過(guò)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間來(lái)回切換狀態(tài)，平衡內(nèi)燃機(jī)曲軸的波動(dòng)，成為有源飛輪起到減震器的作用。 ISG 高效大功率的電能輸出能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)車(chē)用發(fā)電機(jī)，不僅能使電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)制動(dòng)以及電子動(dòng)氣門(mén)等需要較大功率供電的新興汽車(chē)電子技術(shù)得到充分應(yīng)用，而且原先由齒形皮帶驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)附件，如空調(diào)壓縮機(jī)等，都可以由專用的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，并控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最佳工況點(diǎn)，提高整車(chē)效率。 （ 3） 高效大功率電能輸出功能 ISG 用作發(fā)電機(jī)時(shí)可以提供 6～ 10 kW 功率輸出，全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的效率 80%以上。 ISG 可以在內(nèi)燃機(jī)低速大負(fù)荷時(shí)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，提供一部分輔助功率，提高低速時(shí)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性能。在城市工況下，汽車(chē)不停地起步和停車(chē)以及內(nèi)燃機(jī)處于怠速的情況非常多，自動(dòng)起停系統(tǒng)利用電動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)的特點(diǎn)避開(kāi)了內(nèi)燃機(jī)低速起動(dòng)和長(zhǎng)時(shí)間怠速，提高了整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性和排蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 放性能。高轉(zhuǎn)速電起動(dòng)過(guò)程不僅降低了內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)時(shí)的燃料消耗，還改善了排放。ISG 技術(shù)的研制或采用，既提升了汽車(chē)品牌的技術(shù)內(nèi)涵，同時(shí)也順應(yīng)了環(huán)保和節(jié)能的趨勢(shì)，具有良好的發(fā)展前景。 ISG 技術(shù)作為新一代汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)之一，將會(huì)得到迅速的發(fā)展和應(yīng)用。由于ISG 系統(tǒng)需要大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)電流也比較大。 3） 裝置 ISG 的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗減小至大于 10%，排放達(dá)到歐三標(biāo)準(zhǔn)，ISG 系統(tǒng)成本增加值小于內(nèi)燃機(jī)成本的 15%20%。 （四象限運(yùn)轉(zhuǎn)） ISG 的性能要求： 1）能帶動(dòng)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)，避開(kāi)怠速工況，降低油耗和污染。 ISG 系統(tǒng)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更緊湊，能實(shí)現(xiàn)車(chē)輛快速起停、高效發(fā)電、輔助動(dòng)力、減速和制動(dòng)時(shí)能量回收等功能，因而，該技術(shù)研究受到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者及汽車(chē)公司的廣泛關(guān)注。直接式曲軸傳動(dòng)能輸出大功率，效率也更高，是 ISG 系統(tǒng)傳動(dòng)的發(fā)展方向。因此，該電機(jī)綜合了永磁電機(jī)和電勵(lì)磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，克服了各自的缺點(diǎn)。 針對(duì)永磁電機(jī)磁場(chǎng)氣隙難以調(diào)節(jié)和高溫易退磁的缺點(diǎn)， 混合勵(lì)磁永磁同步電機(jī)也是永磁 ISG 研究的熱點(diǎn)之一。 永磁磁阻混合同步電機(jī)是 ISG電機(jī)的最優(yōu)選擇之一。具有起動(dòng)方便，能量密度大，效率高，可以輸出高質(zhì)量的直流電壓等優(yōu)點(diǎn)。因而，它是近年來(lái)研究較多并且應(yīng)用越來(lái)越廣的一種電機(jī)。 （ 4）永磁同步電機(jī) 與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)運(yùn)行原理和電勵(lì)磁同步電機(jī)運(yùn)行原理相同，但它不需要?jiǎng)?lì)磁繞組