車用爪極發電機的發展及展望

孫瀟

摘 要：該文對現在汽車用爪極發電機結構形式進行了分析，針對當前汽車產業的發展趨勢，綜合現有車用發電機各自優缺點，得出一種新型的車用混合勵磁發電機滿足汽車越來越高用電量的需求，同時能減少勵磁電流的消耗，保證電壓的恒定輸出。

關鍵詞：混合勵磁 電勵磁 永磁 爪極式 汽車

中圖分類號：U463.63 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（c）-00-01

發電機作為汽車主要電源之一，為車用電器供電，同時為蓄電池供電。隨著汽車工業的發展，發電機也經歷了從直流發電機、交流發電機到無刷交流發電機的三個發展階段。爪極發電機因其制造工藝簡單、體積小、質量輕、成本低等優點被廣泛應用于汽車工業領域。

爪極發電機目前主要有兩種結構形式

（1）電勵磁爪極發電機

應用最廣泛的車用發電機，即在轉子上安裝勵磁繞組，當給勵磁繞組通入勵磁電流時會產生勵磁磁場。磁通經爪極結構將軸向轉化為徑向，經過氣隙、定子，再回到轉子上。定子繞組切割磁感線產生電流。電勵磁爪極發電機通過調節勵磁電流的大小控制電機內部氣隙磁通，實現變負載運轉時發電機輸出電壓的恒定。

此種發電機電壓波形良好，且爪極部分機械強度較好、制作簡單，但有效磁通受到爪極間氣隙的影響，有所降低，因而可能出現低速運轉時出力不足的現象，降低發電機的效率。這對于在城市路況上行駛的低速汽車來說，會出現達不到發電機額定輸出電壓和輸出功率的現象，這樣勢必會增加車載蓄電池的充放電次數，縮短蓄電池的使用壽命。

（2）永磁式爪極發電機

與電勵磁爪極發電機相比，體積小、重量輕、比功率大、效率高，且結構簡單，沒有電刷和換向器，運行安全可靠。但是發電機磁場都是由永磁體產生，電壓調節較為困難。而且永磁式爪極發電機的勵磁一旦出現故障，在發電機轉速較高時，輸出電壓會急劇上升，造成安全隱患。

現代汽車配備的汽車電器越來越多，耗電量增長迅速，目前典型值為1.5～3 kW[1]。綜合以上兩種發電機各自存在的不可忽視的問題，勢必要求車載發電機進行結構變革來滿足汽車對電量的需求，混合勵磁發電機便是比較好的解決方案 [2]。

混合勵磁爪極式發電機采用永磁體和電磁線圈同時勵磁，保留電勵磁和永磁體勵磁各自優點，可以較好的提高發電機的運行效率[3]。混合勵磁發電機的最大優勢是在不增加勵磁電流的前提下，用永磁體來補償爪極的漏磁損失，通過調節勵磁電流，使得電機內部氣隙磁場平滑可調，讓發電機在其轉速、負載變化范圍內可以輸出恒定的電壓，改善發電機低速時的輸出特性，避免了永磁體磁場不可調節的問題[4]。

混合勵磁式爪極發電機一般由定子、爪極式轉子、整流器、端蓋、風扇及帶輪等組成。定子槽中嵌入三相對稱的定子繞組，一般采用星型聯接。爪極式轉子包括兩塊爪極、勵磁繞組、磁軛、永磁體及轉子軸等結構組成。

目前混合勵磁爪極式發電機中永磁體的放置方式有三種：在發電機勵磁繞組內放置永磁體、在爪極表面放置永磁體和在爪極與爪極之間放置永磁體，其特點分析見表1。

混合勵磁爪極式發電機的工作過程是，轉子上同時裝有永磁體和電勵磁繞組，當在轉子的勵磁繞組中通入直流電，就會形成一個由永磁體和勵磁繞組共同構成的旋轉的勵磁磁場，定子中的三相對稱繞組不斷切割旋轉磁場，在其電樞繞組中感應出相應的頻率相同、幅值相等、相位相差120 °電位角的正弦交流電動勢。混合勵磁爪極式發電機與普通發電機相比，具有更高的氣隙磁密和功率密度，可以在更寬的負載范圍內保持輸出電壓的恒定。

因增加了永磁體結構，氣隙磁場不再由電勵磁繞組單獨提供，那么當輸出功率一定時，混合勵磁爪極式發電機需要的勵磁電流更小，勵磁損耗也會大大的降低。混合勵磁爪極式發電機的設計方案應考慮以下幾點：發電機的本身的安全與性能、永磁材料的選擇及放置位置、發電機的加工方法與成本等，基本設計原則為在保證當發電機運行到最高轉速且電勵磁部分失去調節作用時，永磁磁通所產生的電壓小于或等于安全電壓。

參考文獻

[1] David J.Perreault，IEEE，Vahe Caliskan.Automotive Power Generation and Control[J].IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS，2004，19（3）.

[2] 李新華，劉剛，章國光.汽車混合勵磁爪極發電機電流輸出能力分析[J].汽車電器，2012（3）：24-28.

[3] 趙朝會，張卓然，秦海鴻.混合勵磁電機的結構及原理[M].北京：科學出版社，2010.

[4] 趙朝會，郭環球，楊寧，等.一種新型混合勵磁爪極同步發電機結構及特性研究[J].河海大學學報，2007（5）：35-37.