汽車發電機效率優化方向研究

易遠程，鄭 妍，黃 興

（1.上汽大眾有限公司，上海 201800；2.錦州漢拿電機有限公司，遼寧 錦州 121000）

最近工信部發布《乘用車燃料消耗量限值》和《乘用車燃料消耗量評價方法和指標》征求意見稿，與老版最大的區別是，將測試循環由現行的NEDC（全新歐洲測試循環）改成了WLTC（全球輕型車統一測試循環）。WLTC工況特點是車速波動大，怠速工況少，而且沒有特別的規律性，涵蓋更廣的速度區間，測試周期更長，這樣使得傳統燃油車油耗惡化明顯。同時，汽車電器設備增加，發電機的功率越來越大，使得發電機的因素在油耗計算中影響因子比重增加，因此對發電機效率進行優化成為降低汽車油耗和排放的重要措施。本文通過對發電機的深度分析，提出對發電機定子繞線、風扇、高效二極管等方面的優化，提升發電機的效率，從而達到節油效果。

1 發電機效率優化措施

當前市場上主流的發電機采用的是爪極式發電機，主流選用的輸出都在120～150A之間，效率一般為65%～70%左右，發電機效率提升還有一定空間。以下將從整流橋、定子繞線及散熱進行優化以提升發電機效率。

1.1 整流橋上使用高效二極管替代普通二極管

發電機發出的交流電都是通過整流橋轉化為直流電給其他用電器。三相交流發電機整流橋主要由6只齊納二極管組成的全波整流，如圖1所示。

圖1 三相發電機原理圖

由于二極管存在著正向壓降的特性，導致在功率轉換中出現自身損耗。一般普通二極管正向壓降VF為1.1～1.2V之間。Actron新開發了一款高效二極管，正向導通電壓VF為0.56V，幾乎是傳統二級管的50%。且二極管的形狀與普通二極管一致，在發電機的整流橋可直接替換傳統二極管無需對整流板進行更改，如圖2所示。普通二極管與高效二極管參數對比見表1。

圖2 Actron MLL50

表1 普通二極管與高效二極管參數對比

在裝有普通二極管的三相發電機上直接換裝高效二極管，根據VDA效率計算，高效二極管將發電機的效率提升了約6%左右。

VDA效率計算方法如下：

式中：ηGen——發電機平均效率；ηGi——各轉速下的效率；wi——各轉速下的加權；Pmech——消耗的機械功率；Pel——發電機輸出功率。

從曲線 （圖3）可以得到，應用高效二極管的發電機不僅僅效率提高，而且在低轉速下的輸出也增大。高效二極管效率與普通二極管效率測試數據見表2。

圖3 應用高效二極管的發電機輸出曲線

表2 高效二極管效率與普通二極管效率測試數據表

1.2 定子繞線工藝改進

關于發電機定子繞組，不同的繞線方式會對發電機的輸出性能以及效率產生影響。發電機定子繞組以圓線定子為例，其主要有兩種形式，一種稱之為 “波繞”，另一種稱之為“疊繞”。疊繞的主要形式如圖4所示，其銅線走勢為每一個鐵心槽內的銅線首、尾兩端走線方向一致。在固定的機械角度小，重復纏繞，形成框式結構。以三相定子為例，通過疊繞形成的定子繞組，單相繞組端部過粗，在定子兩端，三相繞組相互堆疊，這造成定子兩端銅線整形工藝困難，雖然此種繞線模式可以適當節省單相的端部銅線，但是如果要解決整形困難的問題，鐵心外部銅線高度需要適當增加，以滿足整形需求的空間。并且此種繞線形式，相與相之間的連接線跨度較長，這種將銅線增長的方式極大增加了銅線電阻，在形成感應電流的過程中，增大了電流流經的無效形成，導致發電機性能受限，效率低下。但是此種繞線方式適合人工生產，因此在部分機械化生產程度較低的廠家比較普遍使用。

圖4 疊繞示意圖

波繞的主要形式如圖5所示，其銅線走勢為每一個鐵心槽內的銅線首、尾部對稱分開，各向相反方向延伸，按照單相繞組中的單根銅線來看，均是以波浪形狀在鐵心槽內向前延伸。這種繞線形式可以解決整形困難問題，使得鐵心外部銅線更為均勻地分布，提高散熱的同時，可以大大降低定子外部銅線高度，即減少無用銅線的使用，也可一定程度上提升產品的輸出性能及效率。

圖5 波繞示意圖

隨著國內工業進程的發展，定子繞線自動化設備日益增多，波繞以其優異的性能逐步替代疊繞方式，并且兩種繞線方式明顯的優缺點使得目前的大部分發電機均采用波繞的形式制作定子。表3為定子波繞與疊繞效率測試數據表。

表3 定子波繞與疊繞效率測試數據表

1.3 提升發電機的整機散熱水平

發電機作為能量轉化的媒介，在機械能轉化為電能的過程中存在很多種損耗模式，其中熱損耗就占有很大一部分比重。隨著發電機的輸出越來越大，導致發電機的發熱量也隨著增大。同時，發電機輸出會隨環境溫度增高而降低，所以增加有效的散熱也是提高發電機效率的一種方法。23℃和80℃發電機輸出曲線對比見圖6。

圖6 23℃和80℃發電機輸出曲線對比

發電機的主要發熱源包括定子、調節器、整流二極管，在發電機工作時，其定子內部溫度可達220℃。

由于現有發電機基本為內置雙風扇結構，因此其主要的散熱途徑均是通過內部風扇實現。發電機散熱風路如圖7所示。

發電機的散熱效果由風扇所形成的的風量、熱源的散熱面積、端蓋散熱口的面積 （通過風量的大小）決定。舉例說明，如果在風扇風量、熱源散熱面積一定的情況下，那么對端蓋進行微調整，即增大其瞬時通過風量的能力 （風扇形成總風量>散熱孔通過總風量），對定子及發電機整體的溫度均存在較大影響。如圖8所示，將端蓋散熱孔增大。

圖7 發電機散熱風路

圖8 端蓋優化及風量模擬計算

更改后，端蓋散熱孔的出風量曾加了0.00022kg／s。風量增加后的定子溫度場分析如圖9所示。

圖9 定子溫度場模態分布

由于端蓋散熱風量的增加，定子平均溫度下降了2.5℃。發電機在熱態工作時自身熱量的降低，可以大大減少銅損，從而提升能量轉化過程中的電機效率。優化散熱效率測試數據見表4。

表4 優化散熱效率測試數據表

2 結束語

本文通過應用高效二極管，改變繞線方式及提升散熱水平等方案提升發電機的效率，并進行相關的對比試驗。對比數據表明，高效二極管的應用可將效率提升5%左右，繞線和散熱水平的優化對效率提升也有不錯的效果。這3種方案只需要在原發電機的平臺進行優化，就可明顯提升發電機效率，具有很好經濟性。