顧秋麟

（浙江大東吳汽車電機股份有限公司，湖州 313000）

1 引言

隨著時代的發(fā)展，汽車制造行業(yè)也在飛速進步，汽車朝著功能越來越豐富，舒適度越來越高的方向大步邁進，與之相對應的是輕量化、緊湊化的機械結(jié)構(gòu)設計，以滿足更多車載電器的配置，但隨著車載用電器的日益增多，對汽車交流發(fā)電機的輸出功率也越來越高。汽車交流發(fā)電機作為汽車運行時的主要電源，其作用就是將從發(fā)動機輸入的機械能，最終轉(zhuǎn)化輸出為電能。其中最主要的部件就是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)子總成與切割磁力線產(chǎn)生感應電動勢的定子總成，混合勵磁轉(zhuǎn)子相較于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子，有更優(yōu)秀的性能，在國外已經(jīng)非常普及，預測未來國內(nèi)也將會普及混合勵磁發(fā)電機。

汽車交流發(fā)電機是全橋整流，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子并不限制電勵磁的方向?；旌蟿畲呸D(zhuǎn)子相較于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子，生產(chǎn)制造上的主要難點在于磁鋼的嵌入，使轉(zhuǎn)子有了固定的磁場方向，這需要發(fā)電機的勵磁回路進行配合，才能發(fā)揮更好的效果。若磁鋼磁場方向與電勵磁方向不匹配，會導致發(fā)電機異常，甚至是不工作。為避免出現(xiàn)此類質(zhì)量事故，需要在混合勵磁轉(zhuǎn)子生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，對磁鋼方向以及電勵磁回路方向加以限制，以及在生產(chǎn)流程中有相應的檢驗措施，以保障混合勵磁轉(zhuǎn)子的合格。

2 汽車交流發(fā)電機與轉(zhuǎn)子總成

2.1 汽車交流發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)

汽車交流發(fā)電機是汽車的主要電源，在汽車正常運轉(zhuǎn)時（怠速以上），向所有用電設備供電（起動機除外），同時給電瓶充電。汽車交流發(fā)電機結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 汽車交流發(fā)電機結(jié)構(gòu)爆炸

2.2 汽車交流發(fā)電機工作原理

發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁線圈纏繞在爪極磁軛外部，前后爪極通過轉(zhuǎn)子軸壓緊貼合接觸，當轉(zhuǎn)子勵磁線圈通電時，磁軛內(nèi)部就形成了電磁場，連接磁軛的前后爪被磁化為S 極和N 極，并且相鄰爪極為異性磁極。轉(zhuǎn)子軸、擋圈、前軸承與皮帶輪通過螺母緊固連接，力矩按照QC/T 729—2005 標準執(zhí)行。而皮帶輪在皮帶的帶動下旋轉(zhuǎn)，聯(lián)動轉(zhuǎn)子總成在定子總成內(nèi)徑中旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子爪極上產(chǎn)生的對稱并相鄰的磁場交替穿過定子電樞繞組，相當于定子總成繞組中的銅線不斷按一定夾角切割磁力線。按照法拉第電磁感應原理分析，定子總成的三相電樞繞組中會產(chǎn)生相位差120°的感應電動勢，這就是汽車交流發(fā)電機的基本工作原理。

發(fā)電機最重要的電性能零部件是定子總成與轉(zhuǎn)子總成。定子總成由角度相差120°的電樞繞組構(gòu)成，轉(zhuǎn)子總成零部件較多，一般由轉(zhuǎn)子軸，前后爪極，磁場線圈和集電環(huán)組成，混合勵磁轉(zhuǎn)子中還有磁鋼。外部電流經(jīng)過調(diào)節(jié)器并通過上下電刷為轉(zhuǎn)子的磁場線圈提供預勵磁電流，產(chǎn)生磁場，爪極被磁化，根據(jù)右手定則前后爪極極性分為S 極、N極，如圖2 所示。轉(zhuǎn)子經(jīng)過勵磁電流后在磁軛中產(chǎn)生軸向的磁場，通過鳥嘴形爪極轉(zhuǎn)化為多個徑向磁場。在發(fā)動機帶動皮帶輪旋轉(zhuǎn)的過程中，定子電樞繞組切割這些磁場，并在定子線中產(chǎn)生多個正弦波的感應電動勢，在經(jīng)過整流橋整流轉(zhuǎn)換為直流電。

圖2 發(fā)電機勵磁示意

在發(fā)電機工作過程中，隨著用電器或者負載的接入，定子繞組上產(chǎn)生感應電動勢，通過二極管整流橋整流，將交流電進行全波整流變成直流電經(jīng)由B+螺柱輸出，為汽車上的大部分用電器供電以及對電瓶進行充電。

當汽車的啟動鑰匙旋轉(zhuǎn)到“ON”擋的時候，點火開關未聯(lián)通，蓄電池正極與汽車點火開關連接，點火開關與發(fā)電機的“IG”端連接，“IG”與調(diào)節(jié)器內(nèi)部聯(lián)接并通過電刷連接轉(zhuǎn)子總成提供預勵磁電流。當鑰匙旋轉(zhuǎn)到“IGN”擋時，發(fā)動機啟動，并帶動發(fā)電機。在發(fā)電機運轉(zhuǎn)時，B+螺柱與蓄電池和用電器之間形成電流。調(diào)節(jié)器通過改變勵磁電流與占空比，保證電壓的恒定。儀表盤充電指示燈由導線與發(fā)電機“L”端進行連接，形成回路。

當發(fā)動機未啟動時，蓄電池是高電位，發(fā)電機為低電位，電流通過儀表盤充電指示燈，燈常亮。發(fā)動機起動后，發(fā)電機隨著轉(zhuǎn)速升高正常發(fā)電，電壓升高，發(fā)電機的輸出端B+會產(chǎn)生高于電瓶的電壓，L 端也相應輸出同等電壓。由于發(fā)電機正在對蓄電池進行充電，所以B+端與電瓶正極的電位相同，這時，充電指示燈的兩端（蓄電池端與L 端）電位差接近為零，燈熄滅。充電指示熄滅后，發(fā)電機進入自激磁狀態(tài)。定子中電樞繞阻產(chǎn)生的交流感應電動勢經(jīng)過二極管全波整流，向全車用電器和蓄電池供電，并通過調(diào)節(jié)器自激磁回路向勵磁線圈供電[1]，如圖3 所示。

圖3 汽車交流發(fā)電機電氣原理

2.3 汽車交流發(fā)電機工作特性

2.3.1 空載特性

發(fā)電機空載運行時，空載特性可以判斷該發(fā)電機低速充電性能，發(fā)電機的輸出電壓是隨著發(fā)電機的轉(zhuǎn)速升高而增高。

2.3.2 輸出特性

發(fā)電機輸出電壓一定時，發(fā)電機輸出電流隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律見圖4。由于具有這種自我保護作用，交流發(fā)電機一般不需設置限流器。

圖4 汽車交流發(fā)電機輸出特性

a.空載轉(zhuǎn)速n1、滿載轉(zhuǎn)速n2：測得這2 個轉(zhuǎn)速，與規(guī)定值相比即可判斷發(fā)電機性能是否良好；

b.自身具有限制輸出電流的能力。

2.3.3 外特性

從外特性曲線可以看出，在轉(zhuǎn)速變化時，發(fā)電機端電壓有較大的變化，在轉(zhuǎn)速恒定時，由于輸出電流的變化對端電壓影響很大，因此，要使輸出電流穩(wěn)定，必須配用電壓調(diào)節(jié)器。高速時，當發(fā)電機突然失去負載時，端電壓會急劇升高，這時電氣設備中的電子元件將有被擊穿的危險。

2.4 轉(zhuǎn)子總成結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子總成一般由轉(zhuǎn)子軸、前后爪極、集電環(huán)、磁場線圈總成、風葉組成、并經(jīng)過壓裝、浸漆、金加工，最終成為合格的產(chǎn)品[2]。而混合勵磁轉(zhuǎn)子總成在爪極間隙處增加了磁鋼。

2.4.1 轉(zhuǎn)子軸

轉(zhuǎn)子軸作為轉(zhuǎn)子總成的重要組成部分，其主要由后軸承固定區(qū)、集電環(huán)固定區(qū)、前后爪極固定區(qū)、擋圈固定區(qū)、前軸承固定區(qū)、皮帶輪固定區(qū)以及緊固螺母螺紋組成。

a.功能。連接后軸承、集電環(huán)、前后爪極、擋圈、使其安裝生產(chǎn)成完整的轉(zhuǎn)子總成部件，并金加工成為合格的產(chǎn)品。

b.組成。一般由40Cr 鋼金加工而成，進行熱處理工藝，在各個部件安裝完成之后，配研磨工藝。

2.4.2 爪極

爪極是產(chǎn)生磁場的部件，其形狀結(jié)構(gòu)較為復雜，由模具鍛造之后金加工完成，中間固定在轉(zhuǎn)子軸上，前后爪極合裝之后的內(nèi)部空腔用于固定線圈架。傳統(tǒng)爪極與混合勵磁轉(zhuǎn)子的爪極主要區(qū)別在于側(cè)面增加了凹槽，用于磁鋼的固定，如圖5b所示。

圖5 傳統(tǒng)爪極與混合勵磁爪極外觀對比

a.功能。其鳥嘴形的設計，是為了讓磁場能正弦分布，提高定子總成切割磁力線的效率。

b.組成。材料常用8 號鋼精鍛加工而成，其結(jié)構(gòu)一般都是由均勻分布的鳥嘴形爪與磁軛組成，安裝完成后，磁場線圈通電，爪上即會產(chǎn)生磁場[3]。

2.4.3 線圈架

線圈架是磁場線圈的固定支架，在磁場線圈的生產(chǎn)中，有效保護了漆包線的絕緣漆以及對其尺寸進行了規(guī)范，以便后續(xù)安裝。

a.功能。保證漆包線與磁軛之間的絕緣，規(guī)范磁場線圈尺寸，符合安裝到爪極空腔內(nèi)的要求。

b.組成。常見由PI66 熱塑性塑料材料制成。

2.4.4 集電環(huán)

集電環(huán)是轉(zhuǎn)子總成電回路的接口，上下銅環(huán)對應磁場線圈的首尾，在發(fā)電機工作時，勵磁電流通過集電環(huán)輸入至磁場線圈。

a.功能。配合碳刷將勵磁電流傳輸?shù)叫D(zhuǎn)的磁場線圈中。

b.組成。一般由酚醛塑料配合銅嵌件注塑生產(chǎn)而成。

2.4.5 風葉

風葉常見為薄鋼板沖壓成型的離心風扇，風葉的內(nèi)外徑與高度配合發(fā)電機內(nèi)腔的空間設計。每片葉片的角度與大小都不同，用于降低風噪。

a.功能。為發(fā)電機散熱。

b.組成。一般由前后兩片風葉組成，前后風葉由于朝向不同，角度相反，通過焊接固定在爪極兩面。

2.4.6 磁鋼

磁鋼固定在前后爪極縫隙的槽內(nèi)，浸漆之后完全固定不松動，磁鋼的大小以爪極的縫隙與厚度確定尺寸，為保證動不平衡，采用對稱嵌入方式安裝（圖6）。

圖6 磁鋼嵌入爪極縫隙示意

a.功能。提高了混合勵磁轉(zhuǎn)子怠速狀態(tài)下的磁場強度。

b.組成。磁鋼有鐵氧體與汝鐵硼兩種材料，具體選用牌號見表1。

表1 磁鋼參數(shù)對比

2.4.7 轉(zhuǎn)子總成基本外觀參數(shù)

轉(zhuǎn)子總成主要尺寸見圖7，定義見表2。

表2 轉(zhuǎn)子總成主要尺寸定義

圖7 轉(zhuǎn)子總成主要尺寸示意

3 混合勵磁轉(zhuǎn)子

3.1 混合勵磁轉(zhuǎn)子磁鋼排布方法

混合勵磁轉(zhuǎn)子磁鋼的排布方式，使用海爾貝克陣列作為依據(jù)，對其進行試驗。最后根據(jù)試驗結(jié)果，確定其方法的可行性（圖8）。

圖8 磁鋼海爾貝克排列示意

式中，B為強磁場一側(cè)表面的磁感應強度；Br為永磁材料的剩余磁感應強度；Bx為在x軸上的磁感應強度分量；By為在y軸上的磁感應強度分量；k為直線型Halbach 陣列的波數(shù)；λ為磁體波長；m為每個波長的磁塊數(shù)；D為磁塊厚度。

從圖8c 中可以看出，海爾貝克磁體陣列的中垂向磁場，與徑向磁場在磁體上部分相互抵消，垂向磁場與徑向磁場在磁體下部分相互疊加。根據(jù)磁路最短原則，磁鐵上方的磁感線都由磁體內(nèi)部穿過，形成閉合回路，所以上方幾乎沒有磁場強度。

海爾貝克磁體陣列產(chǎn)生的磁場效果，在同等體量下海爾貝克陣列磁體的強側(cè)表面磁場強度約為傳統(tǒng)一致排列的倍，尤其在磁體充磁方向厚度在4～16 mm 時。

混合勵磁轉(zhuǎn)子與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子的主要區(qū)別就是磁鋼，在磁鋼的安裝過程中，經(jīng)過多次試驗，確定了磁極的方向，對其性能提升影響最大，并做了相應的工藝要求。圖9 為混合勵磁轉(zhuǎn)子嵌入12 片磁鋼后的磁力線分布示意。

圖9 混合勵磁轉(zhuǎn)子磁力線分布示意

3.2 混合勵磁轉(zhuǎn)子工藝難點

混合勵磁轉(zhuǎn)子在生產(chǎn)過程中，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子相比有更高的要求，對電磁場與永磁體磁場磁極的一致性與方向都有相應的要求，在生產(chǎn)過程中，遇到的主要問題有以下3 點。

3.2.1 爪極極性的一致性

爪極磁極的極性，主要由磁場線圈的繞線方向，集電環(huán)上下環(huán)的極性，以及調(diào)節(jié)器上下碳刷的極性確定，在生產(chǎn)過程中最容易出現(xiàn)問題的就是集電環(huán)的上下環(huán)位置反轉(zhuǎn)，造成爪極極性的改變，這對混合勵磁轉(zhuǎn)子的性能影響是致命的。經(jīng)過對不合格品的驗證，磁極反轉(zhuǎn)的混合勵磁轉(zhuǎn)子，在發(fā)電機測試中，比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子性能還要低。

為在生產(chǎn)中確保磁極的一致性，對集電環(huán)設計進行改進，限制集電環(huán)焊點對應的上下滑環(huán)位置，并添加醒目標識（圖10）。

圖10 集電環(huán)底座上凸臺標識示意

3.2.2 爪極間隙的一致性

相比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子，混合勵磁轉(zhuǎn)子爪極間隙的大小精度要求和對稱性要求都更高，爪極間隙的一致性對后續(xù)磁鋼的安裝起決定性的作用，爪極間隙不對稱，導致磁鋼過松或著磁鋼無法安裝，直接影響混合勵磁轉(zhuǎn)子的良品率。

為解決這一點，在轉(zhuǎn)子入軸壓裝的過程中，使用了一對專門放入間隙的定位塊對間隙和左右一致性進行限位，并在壓裝完成之后，定位塊可順利脫出，檢驗其尺寸后即可進行下一步工藝。

3.2.3 磁鋼磁極的一致性

磁鋼極性的一致性，是在生產(chǎn)過程中不確定因數(shù)最多的一個環(huán)節(jié)，既要保證磁鋼原材料的一致性，又要確保在安裝時，對爪極的磁極方向有明確的判斷，在現(xiàn)有的工藝中，磁鋼只在側(cè)面做了極性顏色標識，原材料標識不能保證百分之百正確，在安裝過程并沒有防呆的措施限制，這對后續(xù)的檢驗非常不便，導致產(chǎn)品質(zhì)量無法保障。

為能在這一工序內(nèi)確定磁鋼極性方向和爪極電磁場方向的正確，設計了一款可用于檢測和安裝的工具（圖11）。

圖11 轉(zhuǎn)子及磁鋼磁場方向檢驗裝置

結(jié)合圖11 對操作方法進行詳細說明。

此工具轉(zhuǎn)子固定方法參考偏擺儀，先將兩頂座之間的距離調(diào)節(jié)到合適的開擋，然后使用雙頂尖頂住轉(zhuǎn)子軸兩端中心孔，由頂座內(nèi)部彈簧固定轉(zhuǎn)子不松脫。

在轉(zhuǎn)子固定完成后，先使用滑軌調(diào)節(jié)活動架位置，使電刷軸向位置對齊轉(zhuǎn)子上下環(huán)，再使用活動臂滑槽調(diào)節(jié)電刷中心位置，使其下落時正好接觸集電環(huán)上下環(huán)。

上述步驟完成后，使用活動架滑槽調(diào)節(jié)磁極檢測儀測驗頭與轉(zhuǎn)子爪極的距離，一般在5～10 mm左右，電刷正負極參照對應產(chǎn)品作業(yè)指導書設置，通電后，勵磁電流流經(jīng)磁場線圈形成回路，使前后爪極形成N，S 極，磁極檢測儀上對應極性的信號燈就會亮起，用以判斷爪極極性是否正確[4]。在測量和生產(chǎn)過程中使用簡單方便、檢測結(jié)果直觀，提高了檢測準確率和效率。

4 試驗方案

4.1 試驗條件

試驗條件按QC/T 424—1999《汽車用交流發(fā)電機電氣特性試驗方法》要求為依據(jù)，表3 為基本參數(shù)[5]。

表3 試驗基本條件

4.2 試驗設備

本試驗使用朗迪LDFD-3 型發(fā)電機性能試驗臺作為試驗設備，圖12 為試驗臺操作臺面，表4 為試驗臺技術(shù)指標。

表4 試驗臺技術(shù)指標

圖12 朗迪LDFD-3汽車試驗臺

圖13 混合勵磁轉(zhuǎn)子與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子輸出電流對比

4.3 試驗樣機

在混合勵磁轉(zhuǎn)子完成后，做性能對比試驗，是對設計方案實際結(jié)果的驗證。試驗用樣機為公司產(chǎn)品，符合QC/T 729—2005《汽車交流發(fā)電機技術(shù)條件》。使用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子與混合勵磁轉(zhuǎn)子在同一臺發(fā)電機上做電性能測試，通過對發(fā)電機輸出特性曲線與各轉(zhuǎn)速節(jié)點下輸出功率的對比，試驗混合勵磁轉(zhuǎn)子對發(fā)電機功率的提升效果。表5 為3個試驗用轉(zhuǎn)子總成基本參數(shù)，使用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子，鐵氧體磁鋼混合勵磁轉(zhuǎn)子和汝鐵硼磁鋼混合勵磁轉(zhuǎn)子作為對比，試驗對發(fā)電機的輸出功率提升效果[6]。

表5 樣機轉(zhuǎn)子總成參數(shù)

4.4 試驗方法

此次試驗主要驗證混合勵磁轉(zhuǎn)子在安裝完全正確的情況下，對比傳統(tǒng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子輸出性能上的提升，輸出特性試驗方法按照QC/T 424—1999 標準執(zhí)行，測試模式為恒壓（CV），在13.5 V 測試電壓下，發(fā)電機3 000 r/min 運行30 min 后，輸出電流處于平穩(wěn)狀態(tài)下，選取8 個不同轉(zhuǎn)速下電流繪制輸出特性曲線，具體所測參數(shù)如表6 所示。

表6 試驗項目

5 試驗數(shù)據(jù)分析

5.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表7 所示為3 次輸出特性試驗所得數(shù)據(jù)。

表7 試驗結(jié)果

5.2 數(shù)據(jù)對比及分析

由表8 對比發(fā)現(xiàn)，在1 500 r/min 時，混合勵磁轉(zhuǎn)子相較于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子，性能提升最大，鐵氧體混合勵磁轉(zhuǎn)子提升了14.6%的電流值，汝鐵硼混合勵磁轉(zhuǎn)子提升了82.1%的電流值。鐵氧體混合勵磁轉(zhuǎn)子在2 500 r/min 時，提升效果最小，相較提升了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子5.3%，汝鐵硼混合勵磁轉(zhuǎn)子在4 000 r/min時，提升效果最小，相較傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子提升了13.3%。

表8 輸出電流對比

6 結(jié)束語

混合勵磁轉(zhuǎn)子相較于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子，在基本尺寸一樣的情況下，有效地利用了爪極間的間隙，在增加磁鋼的情況下，提升了發(fā)電機的整體輸出性能。在混合勵磁轉(zhuǎn)子生產(chǎn)制造的過程中，主要有3個難點，本文中3 個解決方案在已從試驗階段轉(zhuǎn)為正式生產(chǎn)中應用，初步解決了生產(chǎn)中出現(xiàn)大量尺寸不合格以及性能不達標的情況，并提高了一定的生產(chǎn)效率。在性能測試中，考慮到汝鐵硼的高溫退磁性，在使用熱態(tài)性能試驗作為對比之后，相較于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子，鐵氧體混合勵磁轉(zhuǎn)子和汝鐵硼混合勵磁轉(zhuǎn)子都有提升發(fā)電機輸出性能的效果，尤其是發(fā)動機怠速狀態(tài)下，性能提升最多。而汝鐵硼對比鐵氧體，對發(fā)電機的輸出性能，有更高的提升效果。