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【摘 要】本文针对现在汽车燃油利用效率不高的现状，对汽车能量回收稀土高速永磁发电机结构进行了设计，并对发电机结构图进行了仿真分析，最终得出本文设计的六槽高速永磁发电机符合设计需求，满足实际的使用条件。
【关键词】废气能量；回收；稀土永磁；高速发电机；汽车
Design of Rare-earth Permanent Magnet High-speed Generator
about recycling exhaust energy on vehicle
SUN Xiao
( Huaian College of Information Technology Jiangsu Huaian 223003 )
【Abstract】Directs at the low fuel efficiency, the paper designs the Rare-earth Permanent Magnet High-speed Generator, and carries out simulation analysis on structure of the generator. Finally, rare-earth permanent magnet high-speed generator with six-slot complies with the design requirements, and meets actual conditions of use
【Key words】Ｅxhaust energy;Ｒecycling and utilizing;Ｒare-earth permanent magnet;Ｈigh-speed generator;Ａutomobile
作者簡介：孙潇（1984—），女，淮安信息职业技术学院汽车工程系，主要研究方向为汽车电子控制技术。
因汽车排气在排出的过程中，造成了资源上的浪费，结合目前趋于成熟的废气涡轮增压系统，设计专用的汽车废气能量回收并转化发电的装置。本装置主要利用发动机排出的废气能量驱动排气管内的废气涡轮旋转，带动同轴高速永磁发电机发电给车上用电设备使用[1]。总体的装置框图如图1所示。
图1 废气利用新装置框图
本文针对高速永磁发电机的结构特点及具体的技术使用要求，对高速永磁发电机进行设计。确定装置以下参数：
1.结构参数的确定
1.1转子的永磁体体积
在满足高速永磁发电机性能要求的基本前提下，应尽量减小永磁体的体积。可通过公式1-1初步估算：
VM=225×109 (1-1)
式中，PN-发电机的额定容量；σ0-漏磁系数；Kad-直轴电枢反应磁势折合系数；KF-发电机短路时每极永磁体磁势与直轴电枢反应磁势；Ku-电压波形系数；f-发电机的频率；K?准-波形系数，当磁场分布为正弦时；C-最大磁能利用系数；(BH)max-最大磁能积。
在设计过程中根据额定功率PN、频率f、选用永磁材料的最大磁能积(BH)max和最大磁能利用系数C，来计算所需永磁体的体积，公式中σ0、Kad、KF、Ku、KＢ均在一定范围内，变化不大。永磁体实际体积的大小可根据计算值，加大20%左右的余量。
1.2转子外径
转子的外径尺寸可通过以下计算公式1-2求得
ＤＭ=×10 (1-2)
式中，VM-永磁体的体积；ＤＭ-有极靴转子的外径；ｋＲM-永磁体的填充系数；VＲ-转子的体积；λM-永磁体体积的长细比，ＬM-转子铁心的轴向长度。
1.3转子的轴向长度
为了保证定子铁芯的充分利用，转子轴向长度应比定子轴向长度稍长[2]。
1.4定子参数
1.4.1定子齿轭部高度
可通过公式1-3计算：
ｈｓ１＝ (1-3)
式中，?准０-空载时，通过电枢绕组的有效磁通量；Ｂａｘ-定子轭部磁通密度。
1.4.2定子齿宽
可通过公式1-4计算：
bt= (1-4)
式中，Lef-空气隙轴向计算长度；t-极距；KFe-定子冲片叠压系数；Bt2-硅钢片饱和磁通密度；LS-定子铁心厚度。
1.4.3定子槽槽面积
可通过公式1-5计算：
Ｓｎ＝ (1-5)
式中，Ｓｆ-裸导线的槽满率；Ｎｓ-每槽导体数；Ｎｔ-并绕根数。
1.5电机每相绕组的匝数
发电机每相绕组的匝数可由公式1-6估算[3]
Ｎ＝×10８ (1-6)
式中，Ｅ０＝１．３ＵＮ；Ｋｄｐ-绕组因数；Ｋｓｋ-斜槽因数，Ｋｓｋ＝１；?准Ｕ０-空载有效磁通。
2.结构设计
高速发电机转速通常在几万，甚至十几万转。在其运行过程中，需要对高速发电机转子加装保护机构克服高速旋转过程中产生的巨大离心力，保证其正常工作。在结构设计中必须协调发电机的励磁方式、定子和转子的结构等多方面因素保证发电机的输出特性。
2.1永磁材料的选择
我国稀土资源丰富，成本不高，是世界第一生产大国。本电机采用我国资源丰富、生产成本较低的烧结钕铁硼材料，其永磁体最大磁能积可达474kJ/m3[4]。
2.2转子结构的设计
因高速永磁发电机的转速高、工作环境恶劣，设计的高速永磁发电机采用两极永磁体中间加装隔磁材料的径向瓦片式永磁体结构，并在永磁体的外围加装非导磁材料制成的保护套以提供保护[5]。
2.3定子结构的设计
定子主要由定子铁心、定子绕组和引线等部件组成，现进行设计。
2.3.1定子铁心
由于高速发电机转速很高，在设计时要考虑调整点定子磁通和绕组电流的交变频率，降低电机工作过程中的温度变化。为抑制高转速下产生的涡流损耗，定子采用叠加冲片结构。
2.3.2定子绕组
区别与传统的铜线绕组，高速永磁发电机结构中定子绕组采用多股并绕的绕线方式，绕线要求外部绝缘层较薄，增加其效率和使用寿命。
3.结构仿真
根据设计结构，对其结构进行磁力线分布、磁通密度模值、磁通密度矢量的仿真分析，如图2、图3、图4所示。
图2 六槽高速发电机磁力线分布图
图3 六槽高速发电机磁通密度模值
图4 六槽高速发电机磁通密度矢量显示图
4.总结
根据图示仿真分析效果，六槽钕铁硼高速永磁发电机磁场分布均匀、磁通密度矢量等均符合总体装置的需求。本装置不仅结构简单、铜材消耗少，而且故障率较低、发电效率高。
【参考文献】
［１］孙潇,张学义,史立伟.车用废气能量回收利用技术现状分析与发展前景[J].
［２］柳长江,杨德望.高速直流无槽永磁电机的研制[J].电器技术,2007(10):37-40．
［３］史立伟,张学义,刘伟萍.基于VC++的车用永磁发电机CAD设计[J].微电机, 2009 (6): 89-90．
［４］刘文昌.我国烧结钕铁硼产业的发展及其生产工艺[J]. 金属世界, 2008 (6): 38-41．
［５］王凤翔.高速电机的设计特点及相关技术研究[J]. 沈阳工业大学学报, 2006(6):258-264．
【关键词】废气能量；回收；稀土永磁；高速发电机；汽车
Design of Rare-earth Permanent Magnet High-speed Generator
about recycling exhaust energy on vehicle
SUN Xiao
( Huaian College of Information Technology Jiangsu Huaian 223003 )
【Abstract】Directs at the low fuel efficiency, the paper designs the Rare-earth Permanent Magnet High-speed Generator, and carries out simulation analysis on structure of the generator. Finally, rare-earth permanent magnet high-speed generator with six-slot complies with the design requirements, and meets actual conditions of use
【Key words】Ｅxhaust energy;Ｒecycling and utilizing;Ｒare-earth permanent magnet;Ｈigh-speed generator;Ａutomobile
作者簡介：孙潇（1984—），女，淮安信息职业技术学院汽车工程系，主要研究方向为汽车电子控制技术。
因汽车排气在排出的过程中，造成了资源上的浪费，结合目前趋于成熟的废气涡轮增压系统，设计专用的汽车废气能量回收并转化发电的装置。本装置主要利用发动机排出的废气能量驱动排气管内的废气涡轮旋转，带动同轴高速永磁发电机发电给车上用电设备使用[1]。总体的装置框图如图1所示。
图1 废气利用新装置框图
本文针对高速永磁发电机的结构特点及具体的技术使用要求，对高速永磁发电机进行设计。确定装置以下参数：
1.结构参数的确定
1.1转子的永磁体体积
在满足高速永磁发电机性能要求的基本前提下，应尽量减小永磁体的体积。可通过公式1-1初步估算：
VM=225×109 (1-1)
式中，PN-发电机的额定容量；σ0-漏磁系数；Kad-直轴电枢反应磁势折合系数；KF-发电机短路时每极永磁体磁势与直轴电枢反应磁势；Ku-电压波形系数；f-发电机的频率；K?准-波形系数，当磁场分布为正弦时；C-最大磁能利用系数；(BH)max-最大磁能积。
在设计过程中根据额定功率PN、频率f、选用永磁材料的最大磁能积(BH)max和最大磁能利用系数C，来计算所需永磁体的体积，公式中σ0、Kad、KF、Ku、KＢ均在一定范围内，变化不大。永磁体实际体积的大小可根据计算值，加大20%左右的余量。
1.2转子外径
转子的外径尺寸可通过以下计算公式1-2求得
ＤＭ=×10 (1-2)
式中，VM-永磁体的体积；ＤＭ-有极靴转子的外径；ｋＲM-永磁体的填充系数；VＲ-转子的体积；λM-永磁体体积的长细比，ＬM-转子铁心的轴向长度。
1.3转子的轴向长度
为了保证定子铁芯的充分利用，转子轴向长度应比定子轴向长度稍长[2]。
1.4定子参数
1.4.1定子齿轭部高度
可通过公式1-3计算：
ｈｓ１＝ (1-3)
式中，?准０-空载时，通过电枢绕组的有效磁通量；Ｂａｘ-定子轭部磁通密度。
1.4.2定子齿宽
可通过公式1-4计算：
bt= (1-4)
式中，Lef-空气隙轴向计算长度；t-极距；KFe-定子冲片叠压系数；Bt2-硅钢片饱和磁通密度；LS-定子铁心厚度。
1.4.3定子槽槽面积
可通过公式1-5计算：
Ｓｎ＝ (1-5)
式中，Ｓｆ-裸导线的槽满率；Ｎｓ-每槽导体数；Ｎｔ-并绕根数。
1.5电机每相绕组的匝数
发电机每相绕组的匝数可由公式1-6估算[3]
Ｎ＝×10８ (1-6)
式中，Ｅ０＝１．３ＵＮ；Ｋｄｐ-绕组因数；Ｋｓｋ-斜槽因数，Ｋｓｋ＝１；?准Ｕ０-空载有效磁通。
2.结构设计
高速发电机转速通常在几万，甚至十几万转。在其运行过程中，需要对高速发电机转子加装保护机构克服高速旋转过程中产生的巨大离心力，保证其正常工作。在结构设计中必须协调发电机的励磁方式、定子和转子的结构等多方面因素保证发电机的输出特性。
2.1永磁材料的选择
我国稀土资源丰富，成本不高，是世界第一生产大国。本电机采用我国资源丰富、生产成本较低的烧结钕铁硼材料，其永磁体最大磁能积可达474kJ/m3[4]。
2.2转子结构的设计
因高速永磁发电机的转速高、工作环境恶劣，设计的高速永磁发电机采用两极永磁体中间加装隔磁材料的径向瓦片式永磁体结构，并在永磁体的外围加装非导磁材料制成的保护套以提供保护[5]。
2.3定子结构的设计
定子主要由定子铁心、定子绕组和引线等部件组成，现进行设计。
2.3.1定子铁心
由于高速发电机转速很高，在设计时要考虑调整点定子磁通和绕组电流的交变频率，降低电机工作过程中的温度变化。为抑制高转速下产生的涡流损耗，定子采用叠加冲片结构。
2.3.2定子绕组
区别与传统的铜线绕组，高速永磁发电机结构中定子绕组采用多股并绕的绕线方式，绕线要求外部绝缘层较薄，增加其效率和使用寿命。
3.结构仿真
根据设计结构，对其结构进行磁力线分布、磁通密度模值、磁通密度矢量的仿真分析，如图2、图3、图4所示。
图2 六槽高速发电机磁力线分布图
图3 六槽高速发电机磁通密度模值
图4 六槽高速发电机磁通密度矢量显示图
4.总结
根据图示仿真分析效果，六槽钕铁硼高速永磁发电机磁场分布均匀、磁通密度矢量等均符合总体装置的需求。本装置不仅结构简单、铜材消耗少，而且故障率较低、发电效率高。
【参考文献】
［１］孙潇,张学义,史立伟.车用废气能量回收利用技术现状分析与发展前景[J].
［２］柳长江,杨德望.高速直流无槽永磁电机的研制[J].电器技术,2007(10):37-40．
［３］史立伟,张学义,刘伟萍.基于VC++的车用永磁发电机CAD设计[J].微电机, 2009 (6): 89-90．
［４］刘文昌.我国烧结钕铁硼产业的发展及其生产工艺[J]. 金属世界, 2008 (6): 38-41．
［５］王凤翔.高速电机的设计特点及相关技术研究[J]. 沈阳工业大学学报, 2006(6):258-264．