汽車發電機定子性能參數分析

顧秋麟

（浙江大東吳汽車電機股份有限公司，湖州 313000）

1 前言

汽車交流發電機將發動機輸入的機械能轉化為電能，是傳統燃油汽車電力系統的核心。隨著車輛傳感器、執行器數量的逐漸增加，控制器的功耗越來越大[1]，對汽車交流發電機的制造和性能要求逐漸提高。

根據對車輛工況特征的分析，不同地域、不同車輛的高速行駛時間占比均較小[2]，僅提高發電機的額定功率未必能滿足車輛的供電需求；增大發電機的體量，使不同轉速下輸出功率均有所提升，又會使發電機體積過大造成更多的問題。

車用發電機對體積與質量的要求較為嚴格，提高發電機單位質量的輸出功率、提高低速工況下的輸出功率和發電機的額定功率，是汽車發電機行業一直在研究的課題。本文根據現有成熟產品的參數，分析發電機定子結構，研究定子總成電樞繞組參數對發電機輸出特性的影響，并設計試驗樣機測試發電機實際性能，與理論分析結果進行對比，驗證發電機定子總成電樞繞組參數對輸出功率的影響。

2 汽車交流發電機及其定子總成

2.1 交流發電機基本結構

汽車交流發電機主要為鳥嘴形爪極發電機，如圖1所示，其主要部件包括皮帶輪、前蓋總成、轉子總成、定子總成、后蓋、調節器總成、整流橋總成、防護罩[3]。

圖1 汽車交流發電機結構爆炸圖

2.2 定子總成結構

2.2.1 定子總成基本外形

定子總成的基本參數包括外形尺寸和線圈繞組的接線方式、嵌線方式、線徑匝數[4]。定子總成的主要外形尺寸如圖2所示。

圖2 定子總成主要尺寸示意

2.2.2 定子鐵芯

定子鐵芯是汽車交流發電機勵磁回路和固定定子線圈繞組的重要部件，為向轉子總成磁場提供勵磁回路，通常使用磁導率較高的硅鋼片疊壓而成，以減小鐵芯中產生的電磁渦流，有助于提高發電機的性能。定子線圈繞組的線圈嵌在其內開口的槽中。鐵芯的內徑、外徑、高度、材料、電樞齒的截面結構都會對磁場產生影響，從而改變繞組中的感應電勢。但內徑、外徑和高度受限于發電機的整體結構，電樞齒又需考慮與爪極的極弧系數、齒槽轉矩，一般不進行更改。

2.2.3 電樞線圈繞組

目前常見的發電機定子線圈繞組為三相和六相，接線方式有星形和三角形接法，均輸出三相交流電。在三相繞組制造過程中，每相繞組產生的感應電動勢的頻率相同、幅值相等、相位互差120°。六相繞組的相位差要求為60°，其他要求與三相繞組相同。發電機工作時，感應電動勢從線圈繞組中產生并傳遞到整流橋。繞組由漆包線根據要求波繞或疊繞嵌入鐵芯的電樞齒中，其匝數、相數和接線方式會對電性能產生影響，在圖2 中主要尺寸不變的情況下，這些參數便于更改與試驗。

2.3 定子總成電樞繞組參數

定子總成的不同接線方式如圖3所示，星形接法還可在中性點增加一根導線，并在整流橋中多并聯一組二極管，以提高發電機高速狀態下的輸出功率。

圖3 定子總成星形和三角形接線示意

2.3.1 星形連接

空載時，定子繞組的相電勢EYA為：

式中：EYA為星形連接時的相電勢，n為發電機轉速，Ce=(4K∮K0W∮∮P)/60 為系數，K∮為發電機結構常數，K0為繞組系數，W∮為每項繞組的匝數，∮為空氣間隙的磁通，P為轉子的磁極數。

線電勢EYB為：

接入負載時，星形接法的等效電路如圖4所示，其中Ro為發電機的等效內阻，Rb為等效負載電阻。則相電流IYA為：

圖4 等效電路

式中：Xd=2πfL=Cxn為考慮漏感和電樞反應的電抗，f為頻率，Cx=2πLPx/60為系數，L為定子繞組電感，Px為爪極對數。

接入負載時，線電流IYB為：

2.3.2 三角形接法

三角形接線時，空載條件下定子繞組的線電動勢EΔB與相電動勢EΔA相等：

接入負載時，定子繞組線電流IΔB為：

式中：IΔA為定子繞組三角形連接時的相電流。

高轉速條件下，有：

2.3.3 等效電路轉換

以星形接法作為參考，對式（2）與式（6）進行比較，當發電機產生14 V電壓時，有：

式中：nY0、nΔ0分別為定子繞組星形連接和三角形連接時發電機的空載轉速。

由此可得，相同參數條件下，星形接法空載轉速是三角形接法的倍。再由式（5）與式（8）比較可得：

中紀委人士在剖析謝暉案時深刻指出，特權思想在謝暉的腦子里根深蒂固，在他看來，自己是單位一把手，就應該說了算、定了辦。他專橫跋扈、剛愎自用，把黨的事業變成了個人“事業”，搞獨立王國。把違背程序個人決斷當作敢作敢當、有魄力的表現；把大包大攬、輕率表態看成是有能力的象征。什么制度、程序，什么監督、制約，在他眼里全都是擺設。他最終由“破紀”走向“違法”。

式中：IYBmax、IΔBmax分別為定子繞組星形連接和三角形連接時的最大輸出電流。

由此可得，相同參數下，星形接法的最大輸出電流是三角形接法最大輸出電流的倍[5]。

綜上，要使三角形接法的輸出功率與星形接法的輸出功率相等，需要將三角形接法的定子總成的匝數增加到倍。

為提高發電機的輸出功率，通過計算得出三角形接法的等效電路匝數，在此基礎上，減少三角形接法定子總成的匝數，并增大線徑，可在槽滿率保持不變的情況下提高高速工況下的發電量。

2.3.4 星形接法增加中性點

在星形接法基礎上增加中性點，是一種提高發電機高速狀態下輸出功率的常用方法，可使發電機輸出功率提高10%～15%[6]。

2.3.5 三相與六相電樞繞組

三相電樞繞組使用3組二極管進行整流，利用二極管的單向導通性對繞組中的交流電波進行整流，繼而輸出帶紋波特性的直流電。理論上，二極管的正向導通電阻為0，但實際上二極管存在管壓降，可將電路中的二極管視為非線性電阻，如圖5所示。

圖5 二極管正向特性

二極管由PN 結和導線封裝而成，其電阻隨電流的變化而變化，文獻[7]使用管壓降更低的二極管將發電機的輸出效率提升了6%。因此，二極管的管壓降越低，電阻越小，可將二極管視為電阻，三相繞組視為電源，如圖6所示。

圖6 二極管電阻等效電路

在實際應用中，二極管的管壓降基本保持不變，通過并聯電路可降低內阻，如圖7所示。

圖7 二極管并聯電路示意

該方法無法充分發揮二極管的性能，然而，如使用較低額定電流的管芯并聯，受二極管特性和制造工藝的影響，存在被擊穿的風險。圖8 所示為博世0120 系列發電機使用的14 管自激磁整流橋，其額定輸出電流為110 A，為保證質量，使用14個額定電流為50 A的二極管，在中性點接1組二極管，三相繞組中每相接入并聯的2組二極管。

圖8 并聯二極管整流橋

為能使用較低額定電流的二極管，需在三相電樞中的電流通過二極管前將其分流，故使用六相電樞代替三相電樞。如圖9 所示，將2 個三相繞組整流后再并聯，理論上不會因電流過大擊穿二極管，管芯的增加也降低了內阻。

圖9 三相線與六相線接線示意

3 試驗方案設計與結果分析

3.1 試驗條件

以GB/T 26672—2011《道路車輛帶調節器的交流發電機試驗方法》[8]中的要求為依據，試驗條件如表1所示。

表1 試驗基本條件

3.2 試驗設備

本文試驗使用朗迪LDFD-3 型發電機性能試驗臺，如圖10所示，表2所示為測試臺技術指標。

表2 試驗臺技術指標

圖10 朗迪LDFD-3型發電機性能試驗臺

3.3 試驗方案

定子總成對發電機的電性能起到至關重要的作用，鐵芯幾何尺寸改變會牽連整個發電機結構的改變，而電樞繞組的參數變化幾乎不影響結構，也便于實現已量產產品的性能優化。結合前文的分析，電樞繞組匝數、相數和接線方式會影響發電機的輸出特性，為此，設計試驗進行驗證。為方便后期試驗數據的對比分析，分別設計方案1～方案3 驗證定子電樞繞組的匝數、定子總成的相數以及3 種不同的接線方式對發電機輸出特性的影響，樣機定子總成參數如表3 所示。方案3 中，按星形與三角形的等效轉換，三角形定子總成應使用13 匝導線，為提高輸出功率，調整為11匝。

表3 樣機定子總成參數

受漆包線線徑影響，8 個定子總成導線截面積有所不同，由于圓形漆包線與定子鐵芯線槽內幾何尺寸上的差異，嵌入線槽后會形成許多間隙，不同線徑漆包線形成的間隙大小不同，造成導線截面積不同。表3 中8 個試驗用樣品定子已達到規定線徑的嵌線最高匝數，槽滿率已達到最大值。

3.4 試驗結果

為分析在不改變發電機轉子、定子尺寸的情況下，定子總成中電樞繞組參數對發電機輸出特性及輸出功率的影響，按照QC/T 729—2005《汽車用交流發電機技術條件》[9]開展輸出特性試驗，測試模式為恒壓（Constant Voltage，CV），選取不同轉速下的電流繪制輸出特性曲線，所測參數如表4 所示，試驗結果如表5 所示。

表4 測試項目

表5 試驗數據

在方案2 的試驗過程中，定子總成4 與定子總成5 在2 500 r/min 時的電流紋波峰峰值差異過大，故增加了紋波電流的測試，結果如表6所示。

表6 方案2紋波電流試驗數據A

3.5 試驗數據分析

方案1輸出特性曲線如圖11所示，可以看出，導線匝數對發電機輸出特性影響較大，匝數越少，6 000 r/min轉速下發電量越大，與之對應的1 500 r/min轉速下發電量越低。額定轉速6 000 r/min條件下，9匝相較于11匝的最高輸出功率提升22.7%，1 500 r/min轉速條件下，11匝相較于9匝輸出功率提升150%。

圖11 匝數對輸出特性曲線的影響

方案2 輸出特性曲線如圖12 所示，可以看出，不同相數條件下，發電量無明顯變化，各轉速節點的發電量并未超過5%的電流增幅，6 000 r/min 額定轉速下最高輸出功率也幾乎相等。

圖12 相數對輸出特性曲線的影響

紋波電流的對比結果如圖13 所示，定子總成5（六相）在各轉速階段的紋波電流幅值均小于定子總成4（三相），隨著轉速的提高，優勢逐漸降低。

圖13 相數對紋波電流的影響

方案3 輸出特性曲線如圖14 所示，三角形接法減小匝數后，在1 500 r/min 轉速時發電量明顯降低，轉速高于1 800 r/min 后緩慢回升，在高速條件下明顯超過星形接法和星形接法帶中性點的定子總成。帶中性點的星形接法相較于傳統星形接法，在轉速為6 000 r/min 時輸出性能提升12.4%，符合文獻[6]中增加中性點能提高高速條件下輸出功率的結論。

圖14 接線方式對輸出特性曲線的影響

4 結束語

本文通過改變發電機定子線圈匝數、相數和接線方式分析了定子總成中電樞繞組參數對發電機輸出特性及輸出功率的影響，得到以下結論：

a.隨著定子線圈繞組匝數的增加，輸出特性曲線趨于平穩，初始發電轉速降低，低速狀態下輸出功率極大提高，進入電流飽和狀態的轉速也隨之降低，同時會使高速條件下的輸出功率有所下降。

b. 相線數量的增加對發電機輸出特性曲線影響有限，但相較于三相，六相的紋波電流在低速條件下明顯降低，隨著轉速的升高，優勢減小。

c. 三角形接法在低速條件下電流隨轉速的提高增長較快，輸出功率提升效果較為明顯，隨著轉速的升高，電流增大幅度逐漸減小，但在初始發電階段，輸出功率有所下降，而星形接法增加中性點，初始發電階段至低速階段的輸出功率基本不變，隨著轉速的提高，輸出功率逐步提升。

在實際應用中，發電機供電不足或供大于求都會帶來不同程度的問題，結合車況和用電需求配置合適的發電機，可有效提升整車性能。在未來產品設計中，使用較小匝數的電樞繞組提高額定輸出功率，在低速時若能通過調節器提高磁場勵磁線圈的電壓并在轉速升高時降低，可同時滿足低速條件下發電量要求。