改變磁通密度對于汽車發電機效率的影響

汪曉明

（同濟大學 200092)

1 發電機結構及原理

目前乘用車使用的發電機類型主要為極爪式發電機（圖1）。該種類型發電機主要由以下部件組成：定子裝配（產生電流）、轉子裝配（提供電機磁場）、整流橋裝配（將交流電轉為直流電）、調節器裝配（用于調節輸出電壓）、皮帶輪、前蓋、后蓋和保護罩蓋[2]。

發電機是給汽車電氣設備負載提供電流，并給蓄電池充電的發電裝置。汽車上有前照燈、霧燈、電熱線、空調及各種馬達等用電設備，發電機給這些車輛電氣負載提供電流，并給車輛上的蓄電池充電。

發電機分為2大部分：一部分是由調節器和轉子組成的勵磁回路；另一部分是由定子及整流橋組成的感應回路。勵磁回路的作用是通過調節器給予轉子勵磁電流，使轉子自身產生磁場，通過皮帶輪的帶動，使轉子進行旋轉，產生旋轉的磁場。而感應回路中，定子被動切割轉子形成的旋轉磁場，定子出現交變電流，然后傳遞給整流橋，將交變電流轉化為直流電，供應車上的用電設備，并為蓄電池進行充電[3]。

2 有限元分析發電機的磁通密度

每個發電機制造商均使用不同的外形結構來設計轉子和定子位置。所以，很難通過理論計算和分析，來確定發電機磁通密度的分布情況。因此，需要建立有限元模型，比較優化前后的變化[4]。

有限元分析步驟如下：根據原方案和優化方案，通過UG軟件進行實體建模，并將數模導入到磁場分析軟件中（圖2）；根據圖紙和優化方案的定義，將對應材料賦予數模相應的零件；繪制網格，由于發電機主要核心部件（轉子和定子）均為回轉體，所以在分析磁場情況時，僅需要選取±30o范圍的部分定子和轉子作為分析對象即可[5]；運行分析軟件，得到磁通密度的矢量分布圖（圖3）。

通過比較相同外形的轉子，在增加永磁體前后的漏磁分布（圖3左圖為增加永磁體前、右圖為增加永磁體后）的情況。左圖中，顏色由淺至深，轉子處的漏磁由高至低。對比增加永磁體后的右圖，可以發現漏磁相較于左圖，明顯降低。

圖2 有限元分析建模

圖3 轉子增加永磁體前后磁通密度分布情況

3 發電機效率試驗

效率試驗臺架由以下幾部分組成，分別為可控制溫度的環境箱、固定平臺、發電機安裝支架、拖動電機及皮帶、扭矩輸入軸、電流輸入裝置、B+連接線、接地線、溫度傳感器、熱電偶、轉速傳感器、數據采集器和蓄電池等[6]。

表1 轉子增加永磁體前后效率試驗結果

值可以直接影響到小齒輪的擺動量，并且可以根據游隙值的大小比較線性的得到一個正關系。這也有利于在下一步應用計劃時，明確對于球軸承的設計以及配合要求。

圖4 振動加速度值對比

3.2 擺動量與轉向噪聲的關系

經過試驗確認球軸承游隙值與擺動量的關系后，筆者進行了擺動量與轉向噪聲的關聯試驗。試驗方法是通過在同一個機械轉向機上，換裝不同擺動量的小齒輪進行振動加速度的試驗（圖4）。

根據再次進行的振動加速度試驗結果可以看出，小齒輪上配有40 μm球軸承的振動加速度值，在嚙合區域明顯比配有更小游隙軸承的樣件大，并且壓塊附近的振動值也會受到影響，呈現出一個變大的趨勢。

4 球軸承優化與四點接觸軸承

4.1 球軸承優化

基于對球軸承的理論分析結果與實際振動加速度試驗結果，基本可以得到以下結論：調整軸承游隙可以直接影響小齒輪的擺動量，從而減小機械轉向機轉向時齒輪齒條嚙合撞擊產生的振動。

根據以上結論，減小球軸承游隙可以在一定程度上起到優化轉向噪聲的效果，但另一方面，過小的游隙也可能導致一些異常磨損以及發熱的情況。因此如何把游隙控制在一個合理的區間范圍內，也是需要研究并驗證的一個重要課題。

4.2 四點接觸軸承

由于四點接觸軸承與深溝球軸承結構上的不同，導致四點接觸軸承在徑向游隙上要比深溝球軸承小的多，載荷也更高。這些特性使得四點接觸軸承與小齒輪配合后的擺動量會非常小，同時又不會出現深溝球軸承的異常磨損與發熱現象。從技術上說，是更好的選擇，建議優先選用四點接觸軸承。

5 結束語

經過完整的理論分析并結合可靠的試驗結果，通過優化球軸承游隙來抑制小齒輪擺動量，可以有效減小撞擊產生的振動，達到降低轉向噪聲，優化產品NVH的目的。