浅谈基于SMC的永磁爪极汽车发电机
摘要:永磁外转子爪极电机是一种新型结构电机,并且具有转矩和功率密度高、结构简单和制造成本低等优点,SMC软磁复合材料也是一种新型材料并且具有适合三维磁场涡流损耗小、易加工成各种形状的优点,所以本文对永磁外转子爪极电机进行研究。
关键词:发电机 爪极电机 SMC
汽车工业是目前国民经济的支柱产业,现已成为衡量一个国家现代化水平的标志之一。汽车的先进性,往往以一台汽车的电气装备程度来衡量。汽车发电机是汽车电气系统中的最重要部件之一,与蓄电池并联工作,给汽车上的用电器供电和给蓄电池充电,保证起动电机、车灯、空调及其他电气装置的用电需求。随着汽车技术的发展、结构的变化、用电设备的增加、整车性能的改善以及汽车电气系统和电力电子技术的结合,汽车用发电机在结构、容量和性能上也发生了很大的变化。现代汽车对其发电机的功率密度、可靠性、电气性能、安装尺寸等方面要求越来越高。
近年来,随着现代汽车通风和空调、制动防抱死系统、电子点火装置、加热、汽车安全及故障诊断系统、汽车信息系统、汽车舒适娱乐产品的广泛使用,汽车用电量快速增长,目前典型值为1.5-3千瓦。发动机电喷系统和各种电动装置被大量采用,特别是各种电动装置的使用,使得车上小电机的装备数量大幅度上升,有的高级豪华轿车上甚至安装了60多个小电机。同时车上设备的增加,使得汽车发电机所能拥有的空间位置越来越小。体积小而输出功率大已成为汽车交流发电机的一个重要发展趋势。传统的汽车发电机具有比功率小、效率低、输出特性差、可靠性差等缺点。因此,现在所使用的电励磁爪极汽车发电机就不能满足现代汽车的高标准要求。近年来,随着稀土永磁材料的发展,高性能永磁材料的出现,再加上现代电力电子技术的综合运用,使永磁发电机的稳压问题得到初步解决,为汽车发电机向大功率、小体积、高效、高可靠性等方面发展提供了条件。因此,作为新一代的汽车发电机——车用永磁发电机,彻底替代汽车上现在使用的电励磁交流发电机是必然趋势。
爪极发电机是一种特殊的同步电机,因其制造简单、成本低,现今广泛应用于汽车、航空以及国民经济的其它领域。爪极电机的爪极所具有的特殊形状,使得整个电机的磁场分布情况比较复杂,电机的漏磁比较大。但是由于其具有制造工艺简单,制造成本远低于同等功率的其它同步电机,因而,能够被较多的汽车制造厂商所接受。
软磁复合材料(Soft Magnetic Composite Materials,SMC)采用粉末冶金技术,与在电磁装置中广泛使用的传统硅钢片相比具有许多优点,在过去的十几年里得到了较好的发展,成为磁性材料中除硅钢片以外的又一可选材料。SMC混合了高纯度铁粉和有机材料进行模压,铁粉微粒表面覆盖着绝缘层和起粘合作用的有机材料,因而材料电阻率高,磁性能和热特性具有各向同性的特点,适合应用于三维磁路结构的电磁装置,设计加工更加灵活,可以实现采用硅钢片难以实现的磁路结构,散热效果也得到提高。与硅钢片不同,模压成型的SMC可以直接制成成品或接近最终形状尺寸的成品,在结构拐角处光滑(如电机的齿槽部),可以降低绝缘厚度,提高槽利用率。经过精心设计,采用SMC的装置的性能可以优于传统采用硅钢片的二维磁路结构装置。
SMC软磁复合材料是运用粉末冶金技术制造的一种新型材料,具有各向同性、低涡流损耗和可加工成任意形状等优点,特别是在中高频条件下非常适合作为电机铁心材料。由粉末冶金技术生产的软磁铁粉材料(SMC)具有制造成本低、涡流损耗小和磁性能各向同性等显著优点,适用于结构复杂的低成本高效率的永磁电动机。在设计时要特别注意爪极尤其是根部的机械强度问题.在样机试制与研究阶段,只能采用冷加工方法将SMC材料预制件切削成所需要的形状与尺寸;在装配时,要谨慎地沿中心线插入,避免偏心而引起的转子磁铁吸引力,由于转子磁极采用了高性能的NdFeB永久磁铁,偏心引起的径向磁力可能非常大,甚至造成定子爪极根部的断裂.所以,SMC电机的爪极尺寸比普通爪极电机要大些.另一方面,SMC材料的磁导率偏低,为能够在空载及负载运行时定子绕组产生足够的电势来平衡外加电压,SMC法兰盘及磁轭的截面面积也要取得大一些,随着SMC材料技术的发展,批量生产时整个定子铁心可用铸模直接压成,机械强度大大提高,从而不必采用很厚的爪子,电机体积也会逐步减小。
SMC电机具有传统爪极永磁电机的优点,如永久磁铁形状简单,易加工;横向电枢反应沿定子爪子自行闭合,几乎不会影响到磁铁,气隙磁场稳定;爪极之间的漏磁较大,纵轴电枢反应的去磁作用较小,磁铁具有较强的过载能力等;而且,电机铁心制造简单,铁耗也低,尤其是在中频或高频运行时更为显著。
软磁复合材料(SMC)基本上是由包覆绝缘层的铁粉颗粒构成。通常的原理是,在高温下,这些粒子与滑润剂或粘合剂一起压制成形。滑润剂能够减少压制后材料的排斥,粘合剂可以提高材料的强度,而且还能提供粒子间的绝缘。
综上所述,基于SMC软磁复合材料的永磁爪极汽车发电机具有比以往传统汽车用发电机更加运行可靠、成本低廉、体积小、功率密度大、节约能源等优点,此种电机将成为未来汽车用发电机的发展趋势,将为未来汽车行业提供更有力的电力保障。
参考文献
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作者简介:
刘亮 男 汉族 2008年8月至2009年9月工作于沈阳远大集团任电机设计员 2009年9月至今工作于辽宁省高速公路管理局辽阳管理处工程设备科。
杨大瀚 男 汉族 毕业于大连理工大学管理学院,现供职于辽宁省电子技术情报所,主要从事经济管理方面研究。
张嵩 男 汉族 沈阳工业大学自动化专业毕业 本科 助理工程师 现任辽宁省高速公路管理局丹东管理处路政稽查科路政稽查员。