車用爪極發電機的發展狀況

摘 要：針對電勵磁爪極發電機輸出功率較低、永磁式爪極發電機磁場不可調節的缺點，提出了一種混合勵磁無刷爪極發電機，它可以同時解決上述兩種電機存在的不足，不僅能夠減少勵磁電流的消耗，還能保證輸出恒定的電壓。本文歸納了車用爪極發電機的類別，分別闡述了其優缺點，并對并聯式混合勵磁無刷爪極發電機的結構及工作原理進行了闡述，為進一步深入探索和研究混合勵磁無刷爪極發電機提供了一定的理論基礎和技術參考。

關鍵詞：爪極發電機；混合勵磁；無刷；磁場

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

發電機是汽車的主要電源，其功能是向汽車上的用電設備提供電能，同時又對蓄電池充電。隨著我國綜合國力的增強、經濟社會的發展，汽車領域發生了日新月異的變化，發電機也經歷了從直流到交流再到無刷交流的多個發展階段[1]。首先，由于汽車數量的增多，導致了道路交通堵塞，使汽車經常起動、且在較長的時間內低速行駛，從而使發電機蓄電池放電量較大，不能輸出額定的電壓和功率。另一方面，人們對汽車安全性和舒適性的要求越來越高，汽車上電子控制裝置和用電設備越來越多，使汽車的耗電量增長迅速，從而導致發電機經常處于超負荷運行，使發電機整個機體溫度偏高，長期處于這種狀態的話，會減少它的使用年限。

要想完美的解決上述這些缺陷，就得選用功率密度高、大型號的發電機，但是這樣不僅會增加原材料的消耗、提高了制造成本，而且汽車內部結構緊湊，空間有限，使發動機在安裝、維修等問題上很不方便[2]。因此，在不減少發電機輸出功率的條件下，縮小它的體積；或在原來體積的情況下，研發一種更高輸出功率的發電機，將成為未來車用發電機領域重點研究的內容和方向。

1 爪極發電機按結構形式可分為以下兩類

（1）電勵磁爪極發電機。市場上絕大多數汽車上使用的發電機都是普通電勵磁有刷爪極發電機，主要是因為它的制造成本低、磁場調節方便。但它的輸出功率較低，勵磁損耗較大，且它的爪極間很容易漏磁，又沒有取消電刷-滑環結構，故障率較高、噪聲較大[3]。

（2）永磁式爪極發電機。與普通電勵磁爪極發電機不同的是，永磁式爪極發電機的比功率大、輸出效率高，最重要的是，它沒有采用電刷-滑環結構，運行安全可靠。但由于永磁材料的固有特性，氣隙磁場的調節很不方便[4]。

目前，對于車用爪極發電機的研究，國內外學者們提出了一種新的結構——混合勵磁無刷爪極發電機，它采用永磁勵磁和電勵磁相結合的勵磁方式，共同產生氣隙磁場。該電機綜合了電勵磁爪極發電機和永磁式爪極發電機各自的優點，在原有勵磁電流的基礎上，依靠永磁體補償了爪極間的漏磁損失，解決了電勵磁爪極發電機輸出功率低的問題；又可通過調節勵磁電流來輸出恒定的電壓，解決了永磁體磁場不可調節的問題。但由于爪極轉子的特殊結構，導致其磁路復雜、不規則，具有明顯的三維特性，因而需采用計算精度高的三維有限元方法進行分析求解[5]。

2 混合勵磁爪極發電機

根據永磁磁場與電勵磁磁場的串并聯關系以及有無電刷-滑環結構可分為以下四類：（1）串聯式有刷爪極電機。在兩個爪極間的中心軸上，放置一塊圓餅狀永磁體，該永磁體采用軸向充磁，使其產生的磁力線從爪極間通過，從而得到連續的磁通。此電機的兩個磁場形成串聯結構，但由于永磁體本身的磁阻很大，繼而導致調節磁場所需的勵磁電流也很大，因此，這種放置會使永磁體不可逆退磁。且采用電刷-滑環結構，發電機的穩定性和可靠性大大降低；（2）并聯式有刷爪極電機。把一塊切向充磁的永磁體加入到傳統電勵磁有刷爪極發電機的相鄰兩個爪極之間，該發電機的電勵磁磁場與永磁磁場形成并聯結構，該結構與傳統的爪極發電機相比，雖減少了爪極之間的漏磁，但由于永磁體的加入，使一對爪極下的磁場發生偏斜，沒有充分利用永磁體的優點，使得發電機的氣隙磁密不高。此外，該電機與串聯式有刷爪極電機一樣，沒有實現發電機的無刷化，工作可靠性不高；（3）串聯式無刷爪極電機。在轉子爪極的外極面和相鄰爪極之間，放置一塊圓環形永磁體，該永磁體采用軸向充磁，此電機的電勵磁磁場與永磁磁場是串聯關系，與串聯式有刷爪極電機相同，都可能導致永磁體出現不可逆退磁；（4）并聯式無刷爪極電機。該電機的電勵磁磁場與永磁磁場形成并聯關系，且采用無刷結構，彌補了上述三種電機各自的不足。轉子由兩個焊接在一起的爪極組成，這兩爪極中一個極掌上有較大的內孔，另一個跟轉軸相連。電機端蓋上固定著勵磁支架，勵磁繞組繞在勵磁支架的上面，它倆都伸入到爪極內部。

3 并聯式混合勵磁無刷爪極發電機的結構組成及工作原理

結構組成：定子、爪極式轉子、勵磁支架、整流器、端蓋等。定子由有槽鐵心和三相對稱繞組組成，與普通三相交流發電機相同，一般采用星型聯接。爪極式轉子由兩個焊接在一起的爪極、勵磁繞組、磁軛、永磁體及轉子軸等結構組成。

發電原理：當給發電機的勵磁繞組中通入直流電時，會形成一個旋轉的勵磁磁場，該磁場由勵磁繞組和永磁體共同產生，爪極式轉子在發動機的帶動下不停的旋轉，定子中的三相對稱繞組切割旋轉的磁場，從而感應出頻率相同、幅值相等、相位相差120°電位角的正弦三相交流電動勢。

整流原理：由于定子的三相繞組感應產生的是交流電，整流器的作用是將交流電轉換成直流電，是靠六只二極管組成的三相橋式整流電路完成的。在車用發電機中，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 結論

本文詳細介紹了車用爪極發電機的分類情況，綜合闡述了各自的優缺點，得知并聯式混合勵磁無刷爪極發電機不僅能夠減少勵磁電流的消耗，還能保證輸出恒定的電壓，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]孫瀟.車用爪極發電機的發展及展望[J].科技創新導報，2013（09）81.

[2]王遠兵.車用混合勵磁爪極發電機的有限元分析和研究[D].合肥：合肥工業大學，2009.

[3]喬東偉，王秀和，朱常青.環形永磁體夾置式混合勵磁無刷爪極發電機的研究[J].電機與控制學報，2014，18（05）：30-35.

[4]喬東偉.新型混合勵磁無刷爪極發電機的研究[D].山東：山東大學，2013.

[5]倪有源，王群京，張學.爪極發電機空載漏磁計算[J].中國電機工程學報，2008，28（17）：132-137.

作者簡介：曹金祥（1992-），男，遼寧大石橋人，碩士研究生，主要從事：汽車制造過程優化、管理與仿真研究。