薛江鵬，趙升噸，范淑琴，張蜜蜜

（西安交通大學，陜西 西安 710049）

現(xiàn)代內(nèi)燃機汽車合理發(fā)電方式的探討

薛江鵬，趙升噸，范淑琴，張蜜蜜

（西安交通大學，陜西 西安 710049）

現(xiàn)有電勵磁交流發(fā)電機已不能滿足汽車日益增加的需電量需求，需要開發(fā)新型更高效率的發(fā)電機。文章介紹了汽車用發(fā)電機的類型及工作原理，運用Ansoft Maxwell軟件對相同結(jié)構(gòu)尺寸的電勵磁、永磁勵磁和混合勵磁爪極發(fā)電機進行有限元仿真，對比分析了三類電機的功率因數(shù)和輸出功率。最后，對汽車發(fā)電機的發(fā)展趨勢進行了預測。

爪極發(fā)電機；混合勵磁；功率密度

引言

隨著經(jīng)濟的增長，汽車的銷量逐年攀升。2016年我國已實現(xiàn)汽車銷量2794萬輛，同比增長14.1%，其中，乘用車銷量為2429萬輛，同比增長15.1%；客車銷量為54萬輛，同比減少2.0%；卡車銷量為311萬輛，同比增長8.8%。預計未來 5年我國汽車產(chǎn)銷量將保持近 5%的復合增速，預計至2020年，有望突破3300萬輛。

汽車發(fā)電機是汽車電氣設(shè)備的主要電源，它不僅要為點火系統(tǒng)及其它用電設(shè)備提供電能，還要向蓄電池補充充電，是汽車系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一。另外，汽車發(fā)電機屬于汽車易損零部件，隨著我國汽車保有量不斷擴大，售后市場對于汽車發(fā)電機的需求將不斷地擴大。有研究表明，中國的交流發(fā)電機市場預計將以 7.90%的年復合增長率增長，預計到2020年將達到31.26億美元。

隨著汽車的電氣化和自動化程度的不斷提高，不僅汽車上電機應(yīng)用的數(shù)量不斷增加，而且對電機的性能也提出更高的要求，如體積小、重量輕、噪聲低、耐久性和可靠性等技術(shù)指標[1]?，F(xiàn)代汽車的附屬設(shè)備越來越齊備，從全套空調(diào)、暖風系統(tǒng)到閉路彩電、雙通道立體聲音像系統(tǒng)以及新式冷藏、熱藏兩用箱，各種電子儀表的應(yīng)用使得汽車電量需求日益增加，從之前的500W、750W到現(xiàn)在的1500-3000W。雖說可以采用功率大的發(fā)電機，但是由于汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常緊湊，留給發(fā)電機的安裝空間己經(jīng)很小了，基于上述原因，在原有的機座號上，研制一種高功率而體積小的新型發(fā)電機顯得越來越必要了。

1 汽車用發(fā)電機的類型和特點

作為汽車供電系統(tǒng)關(guān)鍵部件之一的汽車發(fā)電機，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展也有其發(fā)展過程，它經(jīng)歷了從直流發(fā)電機—交流發(fā)電機的發(fā)展過程[2]。

目前，車輛上普遍安裝的是電勵磁爪極交流發(fā)電機，與直流發(fā)電機相比較，交流發(fā)電機在結(jié)構(gòu)方面最根本的差別是取消了換向器，使得交流發(fā)電機的性能大大提高。在相同的容量下，交流發(fā)電機相比于直流發(fā)電機具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點[3]。

采用永磁鐵代替電勵磁爪極發(fā)電機中的勵磁繞組即為永磁爪極發(fā)電機。永磁爪極發(fā)電機采用永磁體產(chǎn)生氣隙磁場,具有結(jié)構(gòu)簡單、功率因數(shù)大的特點，但永磁爪極發(fā)電機勵磁無法調(diào)節(jié)，感應(yīng)電動勢隨著電機轉(zhuǎn)速的升高而升高，不能輸出穩(wěn)定的電壓，因此難于滿足汽車發(fā)動機變頻、變速、變負載的工況。

近年來，有學者提出將電勵磁繞組引入永磁爪極發(fā)電機構(gòu)成混合勵磁爪極發(fā)電機以應(yīng)用于汽車上。相比于永磁爪極發(fā)電機，混合勵磁爪極發(fā)電機減少了永磁體用量，可通過改變勵磁電流調(diào)節(jié)氣隙磁場，實現(xiàn)寬轉(zhuǎn)速范圍的調(diào)壓與調(diào)速，控制更為靈活[4]。

2 爪極發(fā)電機的分類及其工作原理

爪極發(fā)電機按照勵磁方式的不同分為：電勵磁式爪極發(fā)電機、永磁勵磁式爪極發(fā)電機和混合勵磁式爪極發(fā)電機。

（1）電勵磁式爪極發(fā)電機的工作原理

圖1所示為電勵磁式爪極發(fā)電機的工作原理圖。當兩個電刷通電時，勵磁電流產(chǎn)生軸向磁通，使得一塊爪極被磁化為N極，另一塊被磁化為S極，從而形成了相互交叉的N、S極，當爪極隨著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子形成的旋轉(zhuǎn)磁場切割定子中的線圈即產(chǎn)生三相交流電，經(jīng)過硅整流器后轉(zhuǎn)換為直流電存儲在蓄電池中。圖2所示為電勵磁式爪極發(fā)電機的磁路圖，不同于傳統(tǒng)的徑向磁場和軸向磁場，爪極發(fā)電機的磁場為橫向磁場。

圖1 電勵磁式爪極發(fā)電機的工作原理圖

（2）永磁勵磁式爪極發(fā)電機的工作原理

與電勵磁式爪極發(fā)電機的不同在于：使用永磁體代替電勵磁線圈，永磁體被夾在兩個爪極之間。圖3所示為永磁勵磁式爪極發(fā)電機的磁路圖。

圖2 電勵磁式爪極發(fā)電機的磁路圖

圖3 永磁勵磁式爪極發(fā)電機的磁路圖

（3）混合勵磁式爪極電機的工作原理

與電勵磁式爪極發(fā)電機相比，除了轉(zhuǎn)子上勵磁電流提供勵磁外，還有永磁體提供勵磁，兩者在氣隙中合成，調(diào)整直流勵磁即可調(diào)節(jié)氣隙磁場。圖4所示為混合勵磁式爪極電機的磁路圖。

圖4 混合勵磁式爪極發(fā)電機的磁路圖

3 三種爪極發(fā)電機綜合性能對比分析

為了進行對比，所設(shè)計三種爪極發(fā)電機的電學參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸均完全相同，具體設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 三種爪極發(fā)電機的參數(shù)

（1）電勵磁式和永磁勵磁式爪極電機性能對比

運用Ansoft maxwell電磁有限元軟件建立電勵磁式和永磁勵磁式爪極發(fā)電機的三維模型，分析得出兩種發(fā)電機的功率因數(shù)。圖5所示為永磁勵磁式爪極發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速下的功率因數(shù)與電勵磁式爪極發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速下不同勵磁電流的功率因數(shù)對比圖。電勵磁式爪極發(fā)電機的最大勵磁電流一般在6A左右，對比可得電勵磁式爪極發(fā)電機的功率因數(shù)始終小于永磁勵磁式的，因此在電機容量和體積相同的情況下，電勵磁式爪極發(fā)電機的輸出功率始終小于永磁勵磁式發(fā)電機。分析其原因主要是電勵磁式爪極發(fā)電機的漏磁較永磁式發(fā)電機嚴重，影響了其功率因數(shù)的提高。但永磁勵磁式爪極發(fā)電機存在勵磁無法調(diào)節(jié)，感應(yīng)電動勢隨著電機轉(zhuǎn)速的升高而升高的問題，亦難滿足汽車發(fā)動機工況。

圖5 電勵磁式和永磁勵磁式爪極發(fā)電機功率因數(shù)對比

（2）電勵磁式和混合勵磁式爪極電機性能對比

圖6 功率因數(shù)對比

圖7 輸出功率對比

運用Ansoft maxwell電磁有限元軟件建立混合勵磁式爪極發(fā)電機的三維模型，分析得出其功率因數(shù)和輸出功率，與電勵磁爪極發(fā)電機進行對比。圖6和圖7所示分別為混合勵磁式爪極發(fā)電機與電勵磁式爪極發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速下相同勵磁電流的功率因數(shù)及輸出功率對比圖。對比可得在勵磁電流為6A以下時，電勵磁式爪極發(fā)電機的功率因數(shù)和輸出功率始終小于混合勵磁式的，勵磁電流為6A時，混合勵磁式發(fā)電機比電勵磁式爪極發(fā)電機多輸出2438W的功率，因此在電機體積相同的情況下，混合勵磁式爪極發(fā)電機較電勵磁式發(fā)電機具有更高的能量密度。分析其原因主要是混合勵磁式發(fā)電機的勵磁磁場由勵磁繞組和永磁體同時提供，并且調(diào)整直流勵磁即可調(diào)節(jié)氣隙磁場，能夠滿足在汽車發(fā)動機變頻、變速、變負載的情況下輸出穩(wěn)定電壓的工況。

4 結(jié)論

（1）隨著汽車需電量的日益增加，現(xiàn)有的電勵磁爪極發(fā)電機已經(jīng)不能滿足汽車的需求，需要開發(fā)新型更高效率的爪極發(fā)電機。

（2）相同體積永磁勵磁式爪極發(fā)電機功率因數(shù)高于電勵磁式的，但是由于永磁勵磁式爪極發(fā)電機氣隙磁場不能調(diào)節(jié)，難以適用汽車發(fā)動機工況。

（3）相同體積相同勵磁電流下混合勵磁式爪極發(fā)電機的功率因數(shù)和輸出功率均高于電勵磁式發(fā)電機，而且通過調(diào)整直流勵磁電流即可調(diào)節(jié)氣隙磁場，因此，混合勵磁式爪極發(fā)電機綜合了電勵磁式和永磁勵磁式發(fā)電機兩者的優(yōu)點，具有突出優(yōu)勢，符合汽車發(fā)電機的發(fā)展趨勢。

[1] 王群京.爪極電機的結(jié)構(gòu)、理論及應(yīng)用[M].合肥:中國科學技術(shù)大學出版社,2003.

[2] 喬東偉.新型混合勵磁無刷爪極發(fā)電機的研究[D].山東大學,2013.

[3] 倪有源.汽車用爪極發(fā)電機的分析與研究[D].合肥工業(yè)大學,2006.

[4] 曹金祥.車用爪極發(fā)電機的發(fā)展狀況[J].山東工業(yè)技術(shù),2016.

Discussion on Reasonable Power Generation Mode of Modern Internal Combustion Engine Vehicle

Xue Jiangpeng, Zhao Shengdun, Fan Shuqin, Zhang Mimi
( Xi'an Jiaotong University, Shannxi Xi'an 710049 )

Existing electric excitation generator can not meet the increasing electricity demand. It is required to develop new higher efficiency generators. In this paper, the type and working principle of the automobile generator are introduced.The power factor and the output power of the three types motors are analyzed in Ansoft Maxwell by using the same structural size. Finally, this paper predicts the development trend of automobile generators.

Claw pole generator; Hybrid excitation; Power density

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-105-03

U464 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-105-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.035

薛江鵬，就讀于西安交通大學機械工程學院。

國家自然科學基金重點項目（編號：51335009）。