摘要：本文对直流起动发电机的运行机理进行了适当的讲解，并对直流起动发电机在两种不同状态下的性能进行了详细的分析。对两者的主要的性能指标与特性。通过对两者的特性与性能指标的分析结果，建立出一套相对完善的电磁设计方法，并且提出了相应的优化设计模型，运用离散变量直接搜索法对其进行优化设计。编制出一套功能相对齐全，同时具有使用价值的计算机辅助电磁设计程序。
关键词：直流起动发电机；分析；设计；计算；性能；
前言：
直流启动发电机是一部拥有起动与发电两种功能的特种电机，此种电机可以应用到摩托车与汽车当中，在机械需要起动时可以充当起动机来使用，在起动机启动后，转变为发电机状态，为蓄电池提供电能，进行充电，为系统的正常运行提供电力。直流起动发电机与正常的功能单一的直流电动机或者是发电机进行比较，直流起动发电机的性能要求有着相对特殊性，直流起动发电机具有多种优点，体积较小、结构紧凑、功能性强、一机多用。同时本文对直流起动发电机的运行机理与电磁参数数据对电机性能的影响，而且介绍了电磁计算的具体方法与优化设计的具体方法。对直流起动发电机电磁设计的特点，构造出了此种电机优化设计的数学模型，而且采用离散变量直接搜索法来对其进行了优化，并且编制出一套功能相对齐全，同时具有使用价值的计算机辅助电磁设计程序。
一、直流起动发电机的性能分析
（1）起动机状态下的性能分析
此电机在起动时，蓄电池为其提供电力，通过复励方式励磁。在起动的时候，电枢中的电流是相当巨大的，因此蓄电池的阻压下降也是相当明显的。随着启动电流快速的增加，蓄电池的电压会快速的下降，输出的功率也会因此改变，所以，为了确保点火可以正常完成，就要要使电机的最多大功率远远高于其的负载功率。此电机起动转矩和起动时的电流、气隙磁密三者之间的比例成正比，所以，为了确保点火可以正常完成，需要电机拥有相对较大的起动转矩。所以，启动转矩、电机最大功率、起动时的电流是起动机状态下尤为重要的性能指标。起动状态的时间较短，起动状态的使用频率是相当频繁的。所以，一定要通过热负荷来进行发热校核。
（2）发电机状态下的性能分析
直流起动发电机在发电机状态下时，将励磁转变为了并励，发电机的实际电压会跟随原动机的转速的提高而提高，当电压到达额定值时，转变为发电机状态，为蓄电池提供电能，进行充电。如果原动机的转速还在不停地上升，发电机的电压提高到了一定的限定值时，电机的电压调节器将会开始运转工作，将发电机的输出电压进行限制，将发电机的电压限制在一定的数值范围之内。如果要在较低的转速时，为蓄电池提供电能，进行充电，就需要规定能达到额定电压的最低转速，这就是发电机最为主要的性能指标，除此之外，还要对发电机的效率、热负荷等多项性能进行校核计算。
二、电磁计算
电磁计算在电机设计当中是相对重要的，是电机设计的基础环节，通过对直流起动发电机的性能分析，为了进一步完善直流起动发电机的磁计算方法，编制出了计算机辅助程序。
（1）开槽计算
对起动机与发电机性能有着较大影响的主要参数为电枢绕组匝数与电阻值，此类电机一般电枢绕组每槽的导体数量较少，大部分每元件只有几匝，单一的改变每槽导体的数量，其变化的跨度较大。此程序是运用改变槽数与匝数的方法，能够较为自由的对电枢总导体数量与线径进行调整，以此专门编制了一套开槽计算子程序。
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（2）循环计算
选取出对电机性能影响较大的参数为设计变量，本程序采用了四个方面的循环变量：电枢铁芯的长度；串励绕组匝数、线规；电枢槽数、绕组匝数、线规；并励绕组匝数、线规；
（3）提升计算精度的方法
程序当中设置了气隙磁密与起动电流两个迭代计算，如果能够把握好这两个关键性的数据，可以有效的提高计算的精准程度。
三、优化设计
直流起动发电机的优化设计是通过计算机设计的数学模型，来实现数学方法的最优化，自动得出一种对于给定优化目标来说，相对最优化的电机设计方案。所以，电机优化设计最为关键的点是选用最优化的计算方法，确定出优化的具体函数、约束条件与优化的变量。
通过了解的电机优化设计的具体特点，对直流起动发电机优化计算时可以运用离散变量直接搜索法。这种方法是直接在各个变量的离散点上，寻找最优化的约束非线性离散优化方法，这种优化方法完全符合电机的各种参数，如铁芯长度、电枢槽数、绕组匝数及磁极等都是离散变量的特点，以此来避免电机多种变量优化后出现离散圆整造成的相关误差。而且，优化程序在寻优的过程中运用子空间轮变技术与灵敏度分析技术，从而提升了优化的效率。在收敛判定时增加了邻域随机的查点，可以有效的解决收敛过早的情况。
在选择目标函数时要尽可能的考虑到直流起动发电机的空间大小，安装尺寸有着多种的限制。其中主要的问题是要让电机在固定好的体积内，拥有尽可能大的启动转矩与最大功率，因为两者可以最大程度确保发动机在负载变化较大的情况下，也能够顺利的点火起动。
在设计优化变量的情况时，一定使用直流起动发电机设计的变量，选择出的变量要满足两个方面，第一个方面，所选变量需要具有相对独立性，同时可以直接对电机的性能造成影响。第二个方面，参数变化要便捷性，易于调整，具有较好的工艺性。在选择直流起动发电机优化时可以选择一下几个方面的变量：电枢外径、机壳内径；电枢槽数；磁极宽度等。
直流起动发电机优化的约束条件大致可以分为两种，一般方面的约束、性能方面的约束。一般方面的约束大致为安装尺寸的限制，所用材料的限制等。性能方面的约束就比较广泛了，大致表现为除去目标函数之外的其他所有性能方面的要求及限制。
四、结语
直流起动发电机具有着启动与发电两种功能的电机，相较于一般的直流电动机与发电机有着极大的功能性与使用价值，现在的车辆基本都安装了此类直流起动发电机，为多种机械提供了极大的便捷。直流起动发电机的性能要求有着相对特殊性，直流起动发电机具有多种优点，体积较小、结构紧凑、功能性强、一机多用。同时直流起动发电机的设计难度相当之大，有着安装尺寸的限制，一般的设计程序不能兼顾其性能，没有较为优化的方案，因此，本文就针对了这个问题进行了优化设计，同时还建立出一套相对完善的电磁设计方法，并且提出了相应的优化设计模型，运用离散变量直接搜索法对其进行优化设计。编制出一套功能相对齐全，同时具有使用价值的计算机辅助电磁设计程序。以此来帮助直流起动发电机的生产设计。
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论文作者:李彩红,冯悦红,张旋,马千柱
论文发表刊物:《电力设备》2018年第7期
论文发表时间:2018/7/5
标签：发电机论文; 电机论文; 电枢论文; 变量论文; 性能论文; 优化设计论文; 电磁论文; 《电力设备》2018年第7期论文;