汽車取力發電系統結構設計及應用

張巨嶺

摘 要：在本研究中設計了新型汽車取力發電機的安裝裝置，該裝置包含發動機，交流發電機，針對該裝置的運行原理，功能構成，結構設計等相關內容進行闡述，該汽車取力發電系統是以寬轉速輸出底盤，發動機作為動力源，能夠輸出相對穩定的直流電，進而實現特種車型進間不間斷供電。

關鍵詞：汽車取力;發電系統;結構;設計;應用

0 引言

近年來隨著科學技術的發展，整車供電設備直接增加，對于用電的需求也越來越高，國內汽車發電系統在發展過程中獲得一定成果。比如某汽車底盤動力艙中有DC28V直流發動機和兩只相互串聯的蓄電池，但這種情況下無法滿足電壓AC220V設備用電需求，因此需要在發動艙中安裝交流發電機，能夠為供電設備提供交流電。由于動力艙受到空間因素的限制，加裝的交流發電機在取力運行時無法干涉直流發電機工作，如何將新安裝的交流發電機置于動力艙中，并實現無干涉穩定運行，是當前急需解決的問題。基于這種技術背景下，在本研究中提出汽車取力發電機系統，能夠通過電機安裝件在發電發動機中安裝交流發電機，使其安裝于發動機中，并實現無干涉穩定運行。同時該取力發電系統能夠解決汽車在行進過程中上裝設備不間斷供電需求。在汽車行進過程中柴油發電機組一旦出現故障，可以使用蓄電池實現短時間供電，啟動取力發電系統之后，能夠對上裝設備實現不間斷供電。該系統是通過底盤發動機變速箱取力口進行取力的，進而通過中頻六相同步發電機，能夠將車底盤發動機動能轉為交流電能，之后通過雙并聯橋式整流電源，實現整流輸出直流電，以滿足設備的實際用電需求。

1 方案設計

首先從取力發電系統的構成原理上來看，該取力發電系統是由發動機和交流發電機構成的。在交流發電機中安裝了兩個孔，包含用于交流發電機固定在發電機的電機安裝件，在交流發電機中設置與電機安裝件連接的兩個安裝孔，發電機動力輸出端能夠與交流發電機動力輸入端進行連接，電機安裝件包含第一、第二、第三安裝件，其中第一安裝件和通過固定件固定在交流發電機的一安裝孔中，其能夠與第二安裝件，第三安裝件利用固定件固定在交流發電機，另一安裝孔與第二安裝件，第三安裝件，第一安裝件固定在第二安裝件兩相交面。第二安裝件能夠以兩相交面相交的一面連接，并開設一個與發動機固定連接的固定孔。從其運行原理上來看，發電機能夠通過汽車發動機，利用底盤取力口傳動軸驅動，并與萬向節連接，進而帶動其旋轉。利用上裝直流母線電壓將其作為立勵磁源，經過電壓調節模塊之后進行勵磁調節，進而能夠使發電機主繞組輸出相對穩定的中頻雙Y三相交流電。該交流電可通過兩個三相整流調試系統整流之后并聯輸出，直流電源為確保發電機的轉速，能夠達到每分鐘700～2500轉內恒壓。發電機需要使用分段勵磁技術，在處于不同狀態下能夠通過電壓調節模塊實現分段電壓控制，確保在處于不同轉速內發電機勵磁可控，能夠輸入相對穩定的電壓，如圖1所示為該系統的原理設計圖。

根據圖1可以發現，同步交流發電機在車底盤額縱梁位置安裝，通過電機安裝支架能夠將其固定在底盤縱梁上，底盤橫梁能夠用于上裝設備箱體的安裝。由于發電機的安裝空間較小，因此在后續維護中難度較大，維修性較差，因此在設計方面需要關注其可靠性方面。對于該取力發電系統，同時還包含多相橋式整流控制單元，該單元是由指示燈，繼電器，接觸器，電壓調節模塊，散熱風機等共同構成的。比如在發電機中安裝后，后續維修難度較大，并且在汽車行進過程中，尤其對于惡劣路況會影響其性能，因此需要單獨設計多相橋式整流控制單元，可以采用鋼體結構，在上裝箱體中安裝通過電纜能夠使其與發電機進行連接，遠離發電機的本體，使其能夠處于良好的運行環境下，確保可靠性。如下圖所示為取力發電系統的裝配示意圖。

2 發電機

從發電機的功能上來看，當發電機轉速能夠達到每分鐘700～2500r的范圍時，此時會切割電機磁極磁場和電子主繞組，并感應交流電源，經過電壓調節模塊能夠用于定位角調節，使發電機輸出相對穩定的交流電，這種雙Y式三相繞組移動一定電位角，能夠確保輸出精度。在發電機結構設計過程中，其安裝結構形式為IMB3，而發電機的防護結構為Ip54型號，鋼板結構覆蓋于前端蓋和后端蓋上，整體機座為鑄鋁合金結構，發電機是雙軸承結構，軸承為寬式設計，可滿足其強度要求。軸承使用單件圓柱，能夠與主連接進行連接，轉軸采用高強度性能的鋼材，以確保其具有一定的剛度和強度。為提升電機密封性能，可以在前后端蓋裝配過程中發電機的止口位置需要涂刷密封膠，發電機內部為勵磁機鐵芯和鑄鐵芯。在分布過程中考慮電機溫升和引出線出口，相對傳統結構來說其以相反的設計方式，經過兩鐵心前后進行位置交換安裝，能夠使整體設計結構更加緊湊合理。

對于發電機散熱方面，影響發電機的壽命因素包括溫升等因素，為能夠有效控制繞組溫升，需要改善其散熱性能，轉子沖片利用整體沖片的方式在鐵芯上可增加通風道，進而提高散熱面積，提升發電機的散熱通風性能，為確保電機內部熱量能夠及時散發，可以使用內外雙風路散熱系統進行設計。在電機內部轉轉中和安裝兩個小風扇，并且能夠將電機內部熱量傳到魚片狀機座內表面中，而外風扇有靜風罩和形成外風路線的系統，其可驅散記機座魚片狀的散熱。在發電機設計上采用H級絕緣，也就是發電機絕緣材料，連接線，勵磁線使用H級絕緣材料，由于電機的可靠性能，使用壽命是與電機溫度具有直接聯系，為防止電機溫升達到限制，需要保留一定的溫升裕度，可以減少電機的損耗，同時還能夠提升其散熱性能，提高絕緣等級，降低溫升限制，其是提高電機運行可靠性和延長使用壽命的關鍵環節。當環溫度達到50攝氏度時，此時H級絕緣溫升的限制為115k，考核溫升達110k，相對來說可降低10k溫升，進而顯著提升其可靠性能。對于發電機定子鐵心其采用斜槽結構設計方式，使用低損高導磁冷軋無取向硅鋼片作為沖制，槽數為48。采用正弦型分數槽繞組能夠確保實現漏抗低，且具有良好的動態性能，使用具有耐熱性強的復合漆包圍銅線作為繞組電磁線，而在發電機主轉子中采用20級整體全阻尼結構，使用冷軋鋼板設計鐵心沖片。

除此之外，張緊輪安裝機構中設有張緊輪滑動固定槽孔，可通過螺栓將張緊輪固定在槽孔中。在本研究中所設計的汽車取力發電機裝置在使用過程中的優點包括：可提供汽車取力發電機安裝裝置，并且能夠利用電機安裝件將發電機安裝于發動機中，可在動力艙實現無干涉穩定運行，可以有效隔離直流發電機和交流發電機，防止交流發電機在運行過程中干涉直流發電機運行，實現將交流發電機在動力艙中安裝，并確定其實現穩定運行，不會影響交流發電機的運行，以滿足額定電壓為220伏車載設備的實際用電需求。定位銷可通過第一安裝件水平位置以實現張緊皮帶的效果，通過松動張緊輪固定螺栓能夠在槽孔中移動張緊輪的位置，進而調節皮帶裝緊度以實現皮帶有效張緊。

3 小結

總而言之，對于汽車取力發電系統能夠適應底盤發動機寬，轉速變化需求，進而解決汽車在行進過程中直流母線不間斷供電。在該系統設計過程中可突破發電機散熱，變速勵磁等重要技術，以實現系統衡量控制。將交流發電機安裝在發動機中，并且在動力艙實現無干涉穩定運行，能夠為用電設備提供AC220伏的用電需求。

參考文獻：

[1]成釗，王和明，張勇等.泵控馬達系統恒轉速控制器設計與FPGA實現[J].火力與指揮控制，2019，044（001）：119-124.

[2]付英杰，何思維，董星言等.一種車載全轉速范圍20kW直流取力發電系統設計[J].移動電源與車輛，2019，195（01）：5-8+25.

[3]李晶.石泉水力發電廠火災報警系統設計與應用[J].中小企業管理與科技旬刊，2019.

[4]郭鴻銘.風力發電場電氣系統設計與應用[D].2018.