劉春梅，陳 琨

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

1 概述

隨著汽車智能化和自動化的發(fā)展，搭載的電氣設(shè)備以及電子系統(tǒng)越來越多，同時為了達(dá)到減少燃料消耗的目的，發(fā)動機(jī)附屬機(jī)械系統(tǒng)比如：水泵、轉(zhuǎn)向助力泵等都采用電動化，造成電力負(fù)荷進(jìn)一步增大，因此需要發(fā)電機(jī)的功率越來越大。發(fā)電機(jī)功率提高造成驅(qū)動扭矩增大，附件電動化的優(yōu)勢就抵消了，因此不提高驅(qū)動扭矩而得到大功率就必須提高發(fā)電機(jī)的效率。另外，為了減輕整車質(zhì)量，節(jié)省發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的空間，發(fā)電機(jī)的體積不能增大，同時發(fā)電機(jī)的發(fā)電噪音還不能超過標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，混合動力的發(fā)展，汽車發(fā)電機(jī)還需要進(jìn)行能量回收和具有起動機(jī)的功能。綜上所述，現(xiàn)代汽車發(fā)電機(jī)應(yīng)該具有功率大、體積小、效率高、噪聲低、功能多的特點(diǎn)。

2 定子繞組的技術(shù)發(fā)展

2.1 采用新式繞線技術(shù)

以前的繞線工藝是將銅線一個一個插入定子鐵芯中，各根銅線最后很難保持整齊的形狀。新的繞線工藝先將改變線槽的形狀，擴(kuò)大鐵心的插入口，整理成理想形狀的線圈再插入線槽的工藝。采用這種技術(shù)線圈的排列在插入時沒有遭到破壞，插入后線槽形狀就是產(chǎn)品最終的形狀，槽滿率大大的提高，從而降低了內(nèi)部電能的損失。新式繞線與傳統(tǒng)繞線的比較見圖1。

2.2 采用分段導(dǎo)線技術(shù)

圖1 新式繞線與傳統(tǒng)繞線的比較圖

1999年日本電裝公司推出SC交流發(fā)電機(jī)，SC是英文Segment Conductor，意思是分段導(dǎo)線。SC交流發(fā)電機(jī)的定子線圈使用矩形斷面的導(dǎo)線，可以使線圈與鐵心的線接觸變成面接觸，從而增大了線圈與鐵心的接觸面積，提高了散熱效果，同時使用矩形斷面的導(dǎo)線還增大了導(dǎo)線的橫截面積，減小了導(dǎo)線的長度和電阻，從而減小了發(fā)電機(jī)的體積和質(zhì)量，增大了發(fā)電機(jī)的輸出功率。定子線圈在制作時先將導(dǎo)線做成U字型線圈，再將每套U字型線圈疊放整理后，插入鐵心槽中，然后把各個U字型線圈的端部焊接起來。由于采用了無重疊嵌線方式，線圈端部呈網(wǎng)狀，因此，改善了定子繞組的通風(fēng)性能，降低了發(fā)電機(jī)的發(fā)熱量。SC交流發(fā)電機(jī)線圈電阻和熱損失減少50%，而且整齊排列的線圈可以消除電磁噪音，降低風(fēng)噪，實(shí)現(xiàn)低噪音。圖2為SC發(fā)電機(jī)制造工藝圖，圖3為SC交流發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的比較圖。

圖2 SC發(fā)電機(jī)制造工藝圖

圖3 SC交流發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的比較圖

2.3 采用雙定子繞組技術(shù)

為了提高交流發(fā)電機(jī)的功率，有些公司采用兩套定子繞組來發(fā)電。這兩套定子繞組都是星形連接法，并各自有相應(yīng)的整流器。與傳統(tǒng)型發(fā)電機(jī)相比，雙定子繞組技術(shù)用銅量比單層繞組少10%，槽滿率達(dá)到70%以上，質(zhì)量減輕了很多，因此減小了定子繞組的電阻，降低了發(fā)電時的銅損，改善了散熱性，使發(fā)電機(jī)輸出功率提高了近50%，總體效率提高了10%，電磁噪聲減少了10dB。圖4為雙定子繞組發(fā)電機(jī)內(nèi)部電路圖。

2.4 采用五相定子繞組技術(shù)

雙定子繞組發(fā)電機(jī)的線圈線徑和長度減少了，但槽數(shù)和極數(shù)增加了，發(fā)電機(jī)的體積也增大了，發(fā)電機(jī)的制造難度也加大了，因此體積不變的情況下增大發(fā)電機(jī)的功率，五相定子繞組發(fā)電機(jī)是最好的選擇。五相交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用爪極式磁路結(jié)構(gòu)，定子槽采用梨形槽結(jié)構(gòu)，五相繞組采用五角星連接方式，整流器采用五相橋式整流，輸出的電壓波形更平穩(wěn)，輸出電壓的平均值更高。圖5為博世250A五相交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部電路圖。

3 整流器的技術(shù)發(fā)展

采用硅二極管作為整流器件，是因?yàn)楣瓒O管具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時間短等優(yōu)點(diǎn)，但其工作時正向壓降較大，導(dǎo)通損耗功率大，而采用MOS-FET作為汽車發(fā)電機(jī)整流，由于MOS-FET具有導(dǎo)通電阻低，開關(guān)損耗低等優(yōu)點(diǎn)，可以起到提高整流效率的作用。MOS-FET共有柵極、源極、漏極3個電極，在源極和漏極之間有一個半導(dǎo)體二極管，利用MOSFET的反向?qū)щ娞匦詫?shí)現(xiàn)整流。當(dāng)柵極驅(qū)動電壓大于閾值電壓時，MOS-FET管導(dǎo)通，此時電流方向?yàn)閺脑礃OS到漏極D。當(dāng)柵極驅(qū)動電壓低于閾值電壓時，MOS-FET關(guān)斷。通過MOS-FET管柵極驅(qū)動信號，可控制MOS-FET管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而起到整流的作用。電裝交流發(fā)電機(jī)MOSFET整流器內(nèi)部電路圖見圖6。

4 調(diào)節(jié)器的技術(shù)發(fā)展

新型電子調(diào)節(jié)器也采用MOS-FET，基于MOS-FET模擬開關(guān)技術(shù)的調(diào)節(jié)器能夠抗高頻信號干擾，準(zhǔn)確觸發(fā)和關(guān)斷整流器，能高速地響應(yīng)端電壓和電流信號，功率消耗低，易于集成，有利于調(diào)節(jié)器的微型化發(fā)展。

新型車輛采用能量管理系統(tǒng)，ECU根據(jù)蓄電池的傳感器檢測蓄電池的電壓、電流和溫度信號，計算出蓄電池電荷狀態(tài)SOC值，通過LIN總線控制電子調(diào)節(jié)器的目標(biāo)電壓，維持負(fù)載供電和蓄電池充電的穩(wěn)定功能。

圖4 雙定子繞組發(fā)電機(jī)內(nèi)部電路圖

圖5 博世250A五相交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部電路圖

5 皮帶輪的技術(shù)發(fā)展

燃油直噴的運(yùn)用和怠速轉(zhuǎn)數(shù)的降低等原因造成發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)和扭矩變化增大，皮帶的張力變化也隨之增大，安裝內(nèi)置單向離合器皮帶輪可以改善皮帶的張力變動，提高皮帶的壽命，防止打滑聲音的發(fā)生。這種皮帶輪的內(nèi)側(cè)與軸之間內(nèi)置了楔塊式單向離合器，改變楔塊傾斜角度，楔塊高度會發(fā)生變化。楔塊逆時針方向轉(zhuǎn)動時高度變低，皮帶輪與軸分離；楔塊順時鐘方向轉(zhuǎn)動時高度增高，皮帶輪與軸嚙合，一起轉(zhuǎn)動。內(nèi)置單向離合器皮帶輪剖開圖見圖7。

圖6 電裝交流發(fā)電機(jī)MOSFET整流器內(nèi)部電路圖

6 發(fā)電機(jī)技術(shù)展望

1）按需發(fā)電

發(fā)電機(jī)的驅(qū)動要消耗發(fā)動機(jī)的功率，為提高燃料經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)該根據(jù)蓄電池的電量和用電設(shè)備的功率來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，甚至停止發(fā)電。發(fā)電機(jī)始終在發(fā)電，蓄電池充滿電后，電池電極上產(chǎn)生的水會電解而消耗電力，此時發(fā)電機(jī)應(yīng)停止發(fā)電。為了在制動能量回收時蓄電池有一定的容量空間，需要對蓄電池電壓進(jìn)行監(jiān)控，高于設(shè)定電壓值時發(fā)電機(jī)應(yīng)抑制發(fā)電量。另外，發(fā)電機(jī)負(fù)荷還要能夠調(diào)節(jié)，在發(fā)動機(jī)制動減速時為高負(fù)荷，在加速和定速時為低負(fù)荷，可降低用于發(fā)電的燃油的消耗。

2）高電壓發(fā)電機(jī)

在具有制動能量回收的汽車上，采用可變電壓式發(fā)電機(jī)為鋰離子蓄電池或電容器充電。因?yàn)橹苿幽芰炕厥帐窃谲囕v減速停車的過程中將汽車的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，而此過程中電能轉(zhuǎn)換功率越高，那么短時間內(nèi)收集到的電能就越多。然后從電容經(jīng)過變壓及DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，緩慢釋放充入蓄電池或給電氣設(shè)備供電，從而改善因供應(yīng)電能不足而擅自起動發(fā)動機(jī)“充電”的情況。

3）發(fā)電機(jī)兼起動機(jī)

在48V輕混汽車上，皮帶驅(qū)動的發(fā)電機(jī)還當(dāng)作起動機(jī)使用，英文簡稱BSG（Belt Starter Generator皮帶起動發(fā)電機(jī)），它由48V電池、BSG電機(jī)、DC／DC轉(zhuǎn)換器組成，BSG發(fā)電機(jī)為混合勵磁電機(jī) （圖8），是一種新型結(jié)構(gòu)電機(jī)，勵磁源既有勵磁繞組又有永磁體。作為起動機(jī)時使用永磁體，作為發(fā)電機(jī)時通過勵磁繞組對電機(jī)氣隙磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)。適用于高起動轉(zhuǎn)矩和寬轉(zhuǎn)速范圍高效恒壓發(fā)電要求。

圖7 內(nèi)置單向離合器皮帶輪剖開圖

圖8 BSG發(fā)電機(jī)的組成