微型发电机设计开发_邓飞.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering75本研究的微型发电机是将炮弹发射过程中产生的机械能转换成电能储存在电容中的装置。在炮弹发射后，会产生较大的后坐力，使发电机永磁体产生加速运动，永磁体的运动使穿过周围线圈中的磁通量发生变化，从而产生感应电动势。在线圈回路中接上电容元件，就可以对此电容元件进行充电。磁通量变化越快，产生的感应电动势越大，电容充电越快且可以实现的最大充电电压值越大；永磁体运动时间越大，电容充电时间越长，充电电压值越大1。当此加速运动为纯直线运动时，由于微型发电机尺寸限制，导致永磁体运动行程短，而炮弹后坐力产生的加速度大，因而运动时间短，导致充电时间短电容充电电压低。通过机械机构把永磁体的直线运动转化为旋转运动，可以使运动时间增加，从而增大充电电压2-3。本研究从运动机构设计到瞬态磁场仿真到电路仿真分析，详细介绍了微型发电机的设计开发过程，为今后同类电机的设计提供参考。1 微型发电机结构设计1.1 微型发电机结构微型发电机的基本组成如图1所示，主要包括定子、丝杆、线圈、固定套、旋转轴、永磁体等。丝杆上设计有螺旋槽，永磁体通过固定套固定在旋转轴上，旋转轴内圈上设置有三个圆周分布的钢球，钢球可以沿着丝杆上的螺旋槽进行螺旋运动。1.2 丝杆设计丝杆的设计主要是考虑在丝杆机构不出现自锁的情况下，选择尽量小的螺距，减小丝杆轴向运动速度，使丝杆运动时间尽量延长。（1）丝杆的压力角为：（1）式中：P 为永磁体轴向运动的螺距，d 为丝杆直径，为压力角。（2）丝杆的当量摩擦角为：（2）式中：f 为摩擦系数，为当量摩擦角。利用式（1）（2）得出 丝杆机构不会自锁，可以由直线运动转化为旋转运动。1.3 永磁体部件运动计算永磁体部件包括固定套、丝杆及永磁体。永磁体部微型发电机设计开发邓飞何静邓秋明（南岳电控（衡阳）工业技术股份有限公司 湖南省衡阳市 421007）摘要：本文对此微型发电机的整个设计过程进行研究，通过该微型发电机可以让炮弹发射过程中产生的机械能得到充分的利用，为今后同类电机的设计提供参考。炮弹在发射过程中会产生大量的机械能，如果能够将这些机械能利用起来，将其转化为电能存储到电容中，将能够为机械能转化为电能提供一定的借鉴。文中介绍了一种微型发电机，该微型发电机利用炮弹发射产生的后坐力，带动发电机永磁体运动，通过丝杆把永磁体的直线运动转化成旋转运动，在线圈中产生感应电动势，并对电容充电。关键词：旋转运动；感应电动势；发电机；电容充电1-定子；2-丝杆；3-线圈；4-固定套；5-旋转轴；6-永磁体图 1：发电机结构图图 2：永磁体部件受力示意图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering76件的运动速度、运动时间都对电容充电电压的大小产生很大影响。永磁体部件受力如图 2 所示。其中：Fa 为炮弹发射产生的后坐力，Fr 为永磁体部件受到的径向力，Fn 为后坐力产生的法向力。1.3.1 旋转角速度计算（1）炮弹发射的后坐力：炮弹发射产生的后坐力可以用四次多项式进行拟合4。（3）式中：Fa 为炮弹对永磁体部件产生的后坐力，N;t为时间，s；m 为永磁体部件质量。（2）永磁体部件受的径向合力 （4）式中：为压力角，f 为摩擦系数。（3）永磁体部件转动惯量 （5）式中：实心圆柱的质量为 M，中心挖去的质量为m0，R1为永磁体部件内径，R2为永磁体部件外径。（4）永磁体运动的角加速度 （6）式中：r为永磁体部件运动的角加速度，R2为永磁体部件外径，I 为永磁体部件的转动惯量。（5）永磁体运动的角速度 （7）式中：为永磁体部件运动的角速度，r/s;r为永磁体部件运动的角加速度。1.3.2 运动时间计算（1）永磁体部件受的轴向合力 （8）式中：Fs为永磁体部件受的轴向合力，为压力角，f 为摩擦系数。（2）永磁体运动的轴向加速度 （9）式中：s为永磁体部件轴向加速度，m 为永磁体部件质量。（3）永磁体运动时间 （10）式中：S0为永磁体部件轴向运动总行程。通过解方程（10）计算得到永磁体旋转运动总时间T。将 T 带入式（7）计算得到永磁体运动的角速度。通过以上计算得到永磁体部件平均旋转角速度为780r/s。2 感应电动势计算由于影响微型发电机感应电动势的结构参数较多，因此有必要精确分析各个参数的作用，为性能优化提供依据。齿槽转矩是由永磁体磁场与磁槽之间相互作用而产生的，为了避免由于外界干扰而产生电容放电，齿槽转矩不能太小，因此需要对齿槽转矩的支进行计算5。影响齿槽转矩的因素很多,如磁极、槽的数量，齿槽形状等，因此，准确计算齿槽转矩较为复杂。发电机磁场仿真主要通过磁场仿真软件对发电机进行瞬态特性仿真分析，可以得出发电机的感应电动势以及齿槽转矩变化曲线。旋转角速度为 780r/s、线圈匝数 100 匝时，通过仿真计算得到齿槽转矩曲线如下图 3 所示，最大齿槽转矩3.3mN.m。感 应 电 压 曲 线 如 下 图 4 所 示,最 大 感 应 电 压37.5V。2.1 线圈匝数对发电机性能影响通过参数化设置线圈匝数为 60200，步长 200，计算不同线圈匝数齿槽转矩最大值基本成一条水平直线，线圈匝数变化对齿槽转矩基本没有影响。不同线圈匝数下，感应电动势变化如图 5 所示，可以看出感应电动势最大值与线圈匝数成正比。线圈匝数受发电机尺寸限制，不能无限增加，且线圈匝数越多，产生的感应电压越大，但相应的回路电阻越大，电容充电速度越慢，因此需要合理选择线圈的匝数。2.2 发电机转速对对发电机性能影响通过参数化设置发电机转速为 3801580，步长200，设置线圈匝数为 100 匝，计算不同发电机转速下齿槽转矩最大值成一条水平直线，齿槽转矩不随转速的电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering77变化而发生变化。而感应电动势随转速的增加而逐渐增加，当转速超过 780r/s,磁场逐渐趋近于饱和，感应电动势增加趋势逐渐减缓，因此需要合理设计丝杆选择合适的转速值。2.3 气隙对发电机性能影响气隙会对磁场产生影响，通过设置定子内径为3.42mm3.62mm，步长 0.05mm，通过仿真计算不同气隙下齿槽转矩及感应电动势值，根据仿真结果齿槽转矩及感应电动势随气隙的增大而减小，所以气隙应尽可能的小。但是在实际设计过程中，需要考虑固定套的布置以及产品加工公差选择合理的气隙值，避免在工作过程中发生卡滞等现象。3 电容充电电压计算基于以上仿真得到的感应电压数据，采用全波整流图 3：齿槽转矩曲线图 4：感应电压曲线电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering78电路进行整流滤波。按照图 4 计算的感应电压曲线，采用 AD18 软件对上述电路进行仿真，电容充电瞬态分析结果如下图 6 所示。通过对不同的感应电动势进行上述仿真，可以得到不同结构和参数下的电容充电电压，从而得到最优的结构参数。由图 6 可以看出，在 2ms 的时刻，电容上的电压约为 26.375V，由于充电时间有限，充电电压值未达到最大感应电压 37.5V。因此除了增加感应电压，增加充电时间也是增加充电电压的有效手段。充电时间主要和永磁体轴向运动加速度以及质量有关，通过对丝杆结构优化，尽量减小永磁体轴向运动加速度，可以有效增加电容充电电压。4 小结本文主要描述永磁旋转电机的设计开发过程。应用结构计算及仿真技术，详细介绍了发电机的主要设计流程，包括机械运动计算、磁场瞬态仿真以及电路仿真等。主要通过磁场仿真分析了线圈匝数、永磁体转速以及气隙对齿槽转矩和感应电动势的影响。后续通过对永磁体直径、线圈骨架宽度、定子外圈、丝杆螺距等结构尺寸进行优化，来获得更大的充电电压。参考文献1 王宝玲.电磁电路设计基础 M.北京:国防工业出版社,1989.2 濮良贵,纪名刚.机械设计 M.北京:高等教育出版社,2006.3 成大先.机械设计手册.第六版.第三卷 M.北京:化学工业出版社,2016.4 哈尔滨工业大学理论力学教研室编.理论力学.第六版M.北京:高等教育出版社,2002.5 张胜男,张东宇.小型永磁同步风力发电机电磁设计与仿真 J.防爆电机,2014,49(06):7-9+47.作者简介邓飞（1971-）男，湖南省衡阳市人。硕士学位，中级职称。研究方向为高压燃料喷射系统及电控。何静（1990-），女，湖北省嘉鱼县人。大学本科学历，工程师。研究方向为机械设计制造及自动化。邓秋明（1980-），男，湖南省邵阳县人。大学本科学历，工程师。研究方向为机械设计制造及自动化。图 5：感应电动势最大值随线圈匝数变化曲线图 6：电容充电曲线