車(chē)用爪極發(fā)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r

摘 要：針對(duì)電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)輸出功率較低、永磁式爪極發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)不可調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，提出了一種混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)，它可以同時(shí)解決上述兩種電機(jī)存在的不足，不僅能夠減少勵(lì)磁電流的消耗，還能保證輸出恒定的電壓。本文歸納了車(chē)用爪極發(fā)電機(jī)的類別，分別闡述了其優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)并聯(lián)式混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了闡述，為進(jìn)一步深入探索和研究混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)提供了一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：爪極發(fā)電機(jī)；混合勵(lì)磁；無(wú)刷；磁場(chǎng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.148

發(fā)電機(jī)是汽車(chē)的主要電源，其功能是向汽車(chē)上的用電設(shè)備提供電能，同時(shí)又對(duì)蓄電池充電。隨著我國(guó)綜合國(guó)力的增強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，汽車(chē)領(lǐng)域發(fā)生了日新月異的變化，發(fā)電機(jī)也經(jīng)歷了從直流到交流再到無(wú)刷交流的多個(gè)發(fā)展階段[1]。首先，由于汽車(chē)數(shù)量的增多，導(dǎo)致了道路交通堵塞，使汽車(chē)經(jīng)常起動(dòng)、且在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)低速行駛，從而使發(fā)電機(jī)蓄電池放電量較大，不能輸出額定的電壓和功率。另一方面，人們對(duì)汽車(chē)安全性和舒適性的要求越來(lái)越高，汽車(chē)上電子控制裝置和用電設(shè)備越來(lái)越多，使汽車(chē)的耗電量增長(zhǎng)迅速，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)經(jīng)常處于超負(fù)荷運(yùn)行，使發(fā)電機(jī)整個(gè)機(jī)體溫度偏高，長(zhǎng)期處于這種狀態(tài)的話，會(huì)減少它的使用年限。

要想完美的解決上述這些缺陷，就得選用功率密度高、大型號(hào)的發(fā)電機(jī)，但是這樣不僅會(huì)增加原材料的消耗、提高了制造成本，而且汽車(chē)內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，空間有限，使發(fā)動(dòng)機(jī)在安裝、維修等問(wèn)題上很不方便[2]。因此，在不減少發(fā)電機(jī)輸出功率的條件下，縮小它的體積；或在原來(lái)體積的情況下，研發(fā)一種更高輸出功率的發(fā)電機(jī)，將成為未來(lái)車(chē)用發(fā)電機(jī)領(lǐng)域重點(diǎn)研究的內(nèi)容和方向。

1 爪極發(fā)電機(jī)按結(jié)構(gòu)形式可分為以下兩類

（1）電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)。市場(chǎng)上絕大多數(shù)汽車(chē)上使用的發(fā)電機(jī)都是普通電勵(lì)磁有刷爪極發(fā)電機(jī)，主要是因?yàn)樗闹圃斐杀镜?、磁?chǎng)調(diào)節(jié)方便。但它的輸出功率較低，勵(lì)磁損耗較大，且它的爪極間很容易漏磁，又沒(méi)有取消電刷-滑環(huán)結(jié)構(gòu)，故障率較高、噪聲較大[3]。

（2）永磁式爪極發(fā)電機(jī)。與普通電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)不同的是，永磁式爪極發(fā)電機(jī)的比功率大、輸出效率高，最重要的是，它沒(méi)有采用電刷-滑環(huán)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行安全可靠。但由于永磁材料的固有特性，氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)很不方便[4]。

目前，對(duì)于車(chē)用爪極發(fā)電機(jī)的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們提出了一種新的結(jié)構(gòu)——混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)，它采用永磁勵(lì)磁和電勵(lì)磁相結(jié)合的勵(lì)磁方式，共同產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。該電機(jī)綜合了電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)和永磁式爪極發(fā)電機(jī)各自的優(yōu)點(diǎn)，在原有勵(lì)磁電流的基礎(chǔ)上，依靠永磁體補(bǔ)償了爪極間的漏磁損失，解決了電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)輸出功率低的問(wèn)題；又可通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)輸出恒定的電壓，解決了永磁體磁場(chǎng)不可調(diào)節(jié)的問(wèn)題。但由于爪極轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其磁路復(fù)雜、不規(guī)則，具有明顯的三維特性，因而需采用計(jì)算精度高的三維有限元方法進(jìn)行分析求解[5]。

2 混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)

根據(jù)永磁磁場(chǎng)與電勵(lì)磁磁場(chǎng)的串并聯(lián)關(guān)系以及有無(wú)電刷-滑環(huán)結(jié)構(gòu)可分為以下四類：（1）串聯(lián)式有刷爪極電機(jī)。在兩個(gè)爪極間的中心軸上，放置一塊圓餅狀永磁體，該永磁體采用軸向充磁，使其產(chǎn)生的磁力線從爪極間通過(guò)，從而得到連續(xù)的磁通。此電機(jī)的兩個(gè)磁場(chǎng)形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，但由于永磁體本身的磁阻很大，繼而導(dǎo)致調(diào)節(jié)磁場(chǎng)所需的勵(lì)磁電流也很大，因此，這種放置會(huì)使永磁體不可逆退磁。且采用電刷-滑環(huán)結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性大大降低；（2）并聯(lián)式有刷爪極電機(jī)。把一塊切向充磁的永磁體加入到傳統(tǒng)電勵(lì)磁有刷爪極發(fā)電機(jī)的相鄰兩個(gè)爪極之間，該發(fā)電機(jī)的電勵(lì)磁磁場(chǎng)與永磁磁場(chǎng)形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的爪極發(fā)電機(jī)相比，雖減少了爪極之間的漏磁，但由于永磁體的加入，使一對(duì)爪極下的磁場(chǎng)發(fā)生偏斜，沒(méi)有充分利用永磁體的優(yōu)點(diǎn)，使得發(fā)電機(jī)的氣隙磁密不高。此外，該電機(jī)與串聯(lián)式有刷爪極電機(jī)一樣，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的無(wú)刷化，工作可靠性不高；（3）串聯(lián)式無(wú)刷爪極電機(jī)。在轉(zhuǎn)子爪極的外極面和相鄰爪極之間，放置一塊圓環(huán)形永磁體，該永磁體采用軸向充磁，此電機(jī)的電勵(lì)磁磁場(chǎng)與永磁磁場(chǎng)是串聯(lián)關(guān)系，與串聯(lián)式有刷爪極電機(jī)相同，都可能導(dǎo)致永磁體出現(xiàn)不可逆退磁；（4）并聯(lián)式無(wú)刷爪極電機(jī)。該電機(jī)的電勵(lì)磁磁場(chǎng)與永磁磁場(chǎng)形成并聯(lián)關(guān)系，且采用無(wú)刷結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了上述三種電機(jī)各自的不足。轉(zhuǎn)子由兩個(gè)焊接在一起的爪極組成，這兩爪極中一個(gè)極掌上有較大的內(nèi)孔，另一個(gè)跟轉(zhuǎn)軸相連。電機(jī)端蓋上固定著勵(lì)磁支架，勵(lì)磁繞組繞在勵(lì)磁支架的上面，它倆都伸入到爪極內(nèi)部。

3 并聯(lián)式混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

結(jié)構(gòu)組成：定子、爪極式轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁支架、整流器、端蓋等。定子由有槽鐵心和三相對(duì)稱繞組組成，與普通三相交流發(fā)電機(jī)相同，一般采用星型聯(lián)接。爪極式轉(zhuǎn)子由兩個(gè)焊接在一起的爪極、勵(lì)磁繞組、磁軛、永磁體及轉(zhuǎn)子軸等結(jié)構(gòu)組成。

發(fā)電原理：當(dāng)給發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組中通入直流電時(shí)，會(huì)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)由勵(lì)磁繞組和永磁體共同產(chǎn)生，爪極式轉(zhuǎn)子在發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下不停的旋轉(zhuǎn)，定子中的三相對(duì)稱繞組切割旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，從而感應(yīng)出頻率相同、幅值相等、相位相差120°電位角的正弦三相交流電動(dòng)勢(shì)。

整流原理：由于定子的三相繞組感應(yīng)產(chǎn)生的是交流電，整流器的作用是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，是靠六只二極管組成的三相橋式整流電路完成的。在車(chē)用發(fā)電機(jī)中，大部分的整流器都采用這種整流電路，又由于蓄電池具有電容的功能，故輸出的直流電壓波形較平坦。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了車(chē)用爪極發(fā)電機(jī)的分類情況，綜合闡述了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，得知并聯(lián)式混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)不僅能夠減少勵(lì)磁電流的消耗，還能保證輸出恒定的電壓，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：曹金祥（1992-），男，遼寧大石橋人，碩士研究生，主要從事：汽車(chē)制造過(guò)程優(yōu)化、管理與仿真研究。