現代內燃機汽車合理發電方式的探討

薛江鵬，趙升噸，范淑琴，張蜜蜜

（西安交通大學，陜西 西安 710049）

現代內燃機汽車合理發電方式的探討

薛江鵬，趙升噸，范淑琴，張蜜蜜

（西安交通大學，陜西 西安 710049）

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

爪極發電機；混合勵磁；功率密度

引言

隨著經濟的增長，汽車的銷量逐年攀升。2016年我國已實現汽車銷量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。

汽車發電機是汽車電氣設備的主要電源，它不僅要為點火系統及其它用電設備提供電能，還要向蓄電池補充充電，是汽車系統中的關鍵部件之一。另外，汽車發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電機的需求將不斷地擴大。有研究表明，中國的交流發電機市場預計將以 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，不僅汽車上電機應用的數量不斷增加，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指標[1]。現代汽車的附屬設備越來越齊備，從全套空調、暖風系統到閉路彩電、雙通道立體聲音像系統以及新式冷藏、熱藏兩用箱，各種電子儀表的應用使得汽車電量需求日益增加，從之前的500W、750W到現在的1500-3000W。雖說可以采用功率大的發電機，但是由于汽車內部結構非常緊湊，留給發電機的安裝空間己經很小了，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電機顯得越來越必要了。

1 汽車用發電機的類型和特點

作為汽車供電系統關鍵部件之一的汽車發電機，隨著汽車工業的發展也有其發展過程，它經歷了從直流發電機—交流發電機的發展過程[2]。

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

采用永磁鐵代替電勵磁爪極發電機中的勵磁繞組即為永磁爪極發電機。永磁爪極發電機采用永磁體產生氣隙磁場,具有結構簡單、功率因數大的特點，但永磁爪極發電機勵磁無法調節，感應電動勢隨著電機轉速的升高而升高，不能輸出穩定的電壓，因此難于滿足汽車發動機變頻、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電機構成混合勵磁爪極發電機以應用于汽車上。相比于永磁爪極發電機，混合勵磁爪極發電機減少了永磁體用量，可通過改變勵磁電流調節氣隙磁場，實現寬轉速范圍的調壓與調速，控制更為靈活[4]。

2 爪極發電機的分類及其工作原理

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

（1）電勵磁式爪極發電機的工作原理

圖1所示為電勵磁式爪極發電機的工作原理圖。當兩個電刷通電時，勵磁電流產生軸向磁通，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，當爪極隨著轉軸旋轉時，轉子形成的旋轉磁場切割定子中的線圈即產生三相交流電，經過硅整流器后轉換為直流電存儲在蓄電池中。圖2所示為電勵磁式爪極發電機的磁路圖，不同于傳統的徑向磁場和軸向磁場，爪極發電機的磁場為橫向磁場。

圖1 電勵磁式爪極發電機的工作原理圖

（2）永磁勵磁式爪極發電機的工作原理

與電勵磁式爪極發電機的不同在于：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電機的磁路圖。

圖2 電勵磁式爪極發電機的磁路圖

圖3 永磁勵磁式爪極發電機的磁路圖

（3）混合勵磁式爪極電機的工作原理

與電勵磁式爪極發電機相比，除了轉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，調整直流勵磁即可調節氣隙磁場。圖4所示為混合勵磁式爪極電機的磁路圖。

圖4 混合勵磁式爪極發電機的磁路圖

3 三種爪極發電機綜合性能對比分析

為了進行對比，所設計三種爪極發電機的電學參數和結構尺寸均完全相同，具體設計參數如表1所示。

表1 三種爪極發電機的參數

（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電機的三維模型，分析得出兩種發電機的功率因數。圖5所示為永磁勵磁式爪極發電機在額定轉速下的功率因數與電勵磁式爪極發電機額定轉速下不同勵磁電流的功率因數對比圖。電勵磁式爪極發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電機的功率因數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，電勵磁式爪極發電機的輸出功率始終小于永磁勵磁式發電機。分析其原因主要是電勵磁式爪極發電機的漏磁較永磁式發電機嚴重，影響了其功率因數的提高。但永磁勵磁式爪極發電機存在勵磁無法調節，感應電動勢隨著電機轉速的升高而升高的問題，亦難滿足汽車發動機工況。

圖5 電勵磁式和永磁勵磁式爪極發電機功率因數對比

（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電機的三維模型，分析得出其功率因數和輸出功率，與電勵磁爪極發電機進行對比。圖6和圖7所示分別為混合勵磁式爪極發電機與電勵磁式爪極發電機在額定轉速下相同勵磁電流的功率因數及輸出功率對比圖。對比可得在勵磁電流為6A以下時，電勵磁式爪極發電機的功率因數和輸出功率始終小于混合勵磁式的，勵磁電流為6A時，混合勵磁式發電機比電勵磁式爪極發電機多輸出2438W的功率，因此在電機體積相同的情況下，混合勵磁式爪極發電機較電勵磁式發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電機的勵磁磁場由勵磁繞組和永磁體同時提供，并且調整直流勵磁即可調節氣隙磁場，能夠滿足在汽車發動機變頻、變速、變負載的情況下輸出穩定電壓的工況。

4 結論

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

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

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

[1] 王群京.爪極電機的結構、理論及應用[M].合肥:中國科學技術大學出版社,2003.

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

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

[4] 曹金祥.車用爪極發電機的發展狀況[J].山東工業技術,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）。