汽車發電機混合勵磁轉子性能及制造難點分析

顧秋麟

（浙江大東吳汽車電機股份有限公司，湖州 313000）

1 引言

隨著時代的發展，汽車制造行業也在飛速進步，汽車朝著功能越來越豐富，舒適度越來越高的方向大步邁進，與之相對應的是輕量化、緊湊化的機械結構設計，以滿足更多車載電器的配置，但隨著車載用電器的日益增多，對汽車交流發電機的輸出功率也越來越高。汽車交流發電機作為汽車運行時的主要電源，其作用就是將從發動機輸入的機械能，最終轉化輸出為電能。其中最主要的部件就是產生旋轉磁場的轉子總成與切割磁力線產生感應電動勢的定子總成，混合勵磁轉子相較于傳統轉子，有更優秀的性能，在國外已經非常普及，預測未來國內也將會普及混合勵磁發電機。

汽車交流發電機是全橋整流，傳統轉子并不限制電勵磁的方向。混合勵磁轉子相較于傳統轉子，生產制造上的主要難點在于磁鋼的嵌入，使轉子有了固定的磁場方向，這需要發電機的勵磁回路進行配合，才能發揮更好的效果。若磁鋼磁場方向與電勵磁方向不匹配，會導致發電機異常，甚至是不工作。為避免出現此類質量事故，需要在混合勵磁轉子生產環節中，對磁鋼方向以及電勵磁回路方向加以限制，以及在生產流程中有相應的檢驗措施，以保障混合勵磁轉子的合格。

2 汽車交流發電機與轉子總成

2.1 汽車交流發電機基本結構

汽車交流發電機是汽車的主要電源，在汽車正常運轉時（怠速以上），向所有用電設備供電（起動機除外），同時給電瓶充電。汽車交流發電機結構見圖1。

圖1 汽車交流發電機結構爆炸

2.2 汽車交流發電機工作原理

發電機轉子的勵磁線圈纏繞在爪極磁軛外部，前后爪極通過轉子軸壓緊貼合接觸，當轉子勵磁線圈通電時，磁軛內部就形成了電磁場，連接磁軛的前后爪被磁化為S 極和N 極，并且相鄰爪極為異性磁極。轉子軸、擋圈、前軸承與皮帶輪通過螺母緊固連接，力矩按照QC/T 729—2005 標準執行。而皮帶輪在皮帶的帶動下旋轉，聯動轉子總成在定子總成內徑中旋轉。轉子爪極上產生的對稱并相鄰的磁場交替穿過定子電樞繞組，相當于定子總成繞組中的銅線不斷按一定夾角切割磁力線。按照法拉第電磁感應原理分析，定子總成的三相電樞繞組中會產生相位差120°的感應電動勢，這就是汽車交流發電機的基本工作原理。

發電機最重要的電性能零部件是定子總成與轉子總成。定子總成由角度相差120°的電樞繞組構成，轉子總成零部件較多，一般由轉子軸，前后爪極，磁場線圈和集電環組成，混合勵磁轉子中還有磁鋼。外部電流經過調節器并通過上下電刷為轉子的磁場線圈提供預勵磁電流，產生磁場，爪極被磁化，根據右手定則前后爪極極性分為S 極、N極，如圖2 所示。轉子經過勵磁電流后在磁軛中產生軸向的磁場，通過鳥嘴形爪極轉化為多個徑向磁場。在發動機帶動皮帶輪旋轉的過程中，定子電樞繞組切割這些磁場，并在定子線中產生多個正弦波的感應電動勢，在經過整流橋整流轉換為直流電。

圖2 發電機勵磁示意

在發電機工作過程中，隨著用電器或者負載的接入，定子繞組上產生感應電動勢，通過二極管整流橋整流，將交流電進行全波整流變成直流電經由B+螺柱輸出，為汽車上的大部分用電器供電以及對電瓶進行充電。

當汽車的啟動鑰匙旋轉到“ON”擋的時候，點火開關未聯通，蓄電池正極與汽車點火開關連接，點火開關與發電機的“IG”端連接，“IG”與調節器內部聯接并通過電刷連接轉子總成提供預勵磁電流。當鑰匙旋轉到“IGN”擋時，發動機啟動，并帶動發電機。在發電機運轉時，B+螺柱與蓄電池和用電器之間形成電流。調節器通過改變勵磁電流與占空比，保證電壓的恒定。儀表盤充電指示燈由導線與發電機“L”端進行連接，形成回路。

當發動機未啟動時，蓄電池是高電位，發電機為低電位，電流通過儀表盤充電指示燈，燈常亮。發動機起動后，發電機隨著轉速升高正常發電，電壓升高，發電機的輸出端B+會產生高于電瓶的電壓，L 端也相應輸出同等電壓。由于發電機正在對蓄電池進行充電，所以B+端與電瓶正極的電位相同，這時，充電指示燈的兩端（蓄電池端與L 端）電位差接近為零，燈熄滅。充電指示熄滅后，發電機進入自激磁狀態。定子中電樞繞阻產生的交流感應電動勢經過二極管全波整流，向全車用電器和蓄電池供電，并通過調節器自激磁回路向勵磁線圈供電[1]，如圖3 所示。

圖3 汽車交流發電機電氣原理

2.3 汽車交流發電機工作特性

2.3.1 空載特性

發電機空載運行時，空載特性可以判斷該發電機低速充電性能，發電機的輸出電壓是隨著發電機的轉速升高而增高。

2.3.2 輸出特性

發電機輸出電壓一定時，發電機輸出電流隨轉速變化的規律見圖4。由于具有這種自我保護作用，交流發電機一般不需設置限流器。

圖4 汽車交流發電機輸出特性

a.空載轉速n1、滿載轉速n2：測得這2 個轉速，與規定值相比即可判斷發電機性能是否良好；

b.自身具有限制輸出電流的能力。

2.3.3 外特性

從外特性曲線可以看出，在轉速變化時，發電機端電壓有較大的變化，在轉速恒定時，由于輸出電流的變化對端電壓影響很大，因此，要使輸出電流穩定，必須配用電壓調節器。高速時，當發電機突然失去負載時，端電壓會急劇升高，這時電氣設備中的電子元件將有被擊穿的危險。

2.4 轉子總成結構

傳統轉子總成一般由轉子軸、前后爪極、集電環、磁場線圈總成、風葉組成、并經過壓裝、浸漆、金加工，最終成為合格的產品[2]。而混合勵磁轉子總成在爪極間隙處增加了磁鋼。

2.4.1 轉子軸

轉子軸作為轉子總成的重要組成部分，其主要由后軸承固定區、集電環固定區、前后爪極固定區、擋圈固定區、前軸承固定區、皮帶輪固定區以及緊固螺母螺紋組成。

a.功能。連接后軸承、集電環、前后爪極、擋圈、使其安裝生產成完整的轉子總成部件，并金加工成為合格的產品。

b.組成。一般由40Cr 鋼金加工而成，進行熱處理工藝，在各個部件安裝完成之后，配研磨工藝。

2.4.2 爪極

爪極是產生磁場的部件，其形狀結構較為復雜，由模具鍛造之后金加工完成，中間固定在轉子軸上，前后爪極合裝之后的內部空腔用于固定線圈架。傳統爪極與混合勵磁轉子的爪極主要區別在于側面增加了凹槽，用于磁鋼的固定，如圖5b所示。

圖5 傳統爪極與混合勵磁爪極外觀對比

a.功能。其鳥嘴形的設計，是為了讓磁場能正弦分布，提高定子總成切割磁力線的效率。

b.組成。材料常用8 號鋼精鍛加工而成，其結構一般都是由均勻分布的鳥嘴形爪與磁軛組成，安裝完成后，磁場線圈通電，爪上即會產生磁場[3]。

2.4.3 線圈架

線圈架是磁場線圈的固定支架，在磁場線圈的生產中，有效保護了漆包線的絕緣漆以及對其尺寸進行了規范，以便后續安裝。

a.功能。保證漆包線與磁軛之間的絕緣，規范磁場線圈尺寸，符合安裝到爪極空腔內的要求。

b.組成。常見由PI66 熱塑性塑料材料制成。

2.4.4 集電環

集電環是轉子總成電回路的接口，上下銅環對應磁場線圈的首尾，在發電機工作時，勵磁電流通過集電環輸入至磁場線圈。

a.功能。配合碳刷將勵磁電流傳輸到旋轉的磁場線圈中。

b.組成。一般由酚醛塑料配合銅嵌件注塑生產而成。

2.4.5 風葉

風葉常見為薄鋼板沖壓成型的離心風扇，風葉的內外徑與高度配合發電機內腔的空間設計。每片葉片的角度與大小都不同，用于降低風噪。

a.功能。為發電機散熱。

b.組成。一般由前后兩片風葉組成，前后風葉由于朝向不同，角度相反，通過焊接固定在爪極兩面。

2.4.6 磁鋼

磁鋼固定在前后爪極縫隙的槽內，浸漆之后完全固定不松動，磁鋼的大小以爪極的縫隙與厚度確定尺寸，為保證動不平衡，采用對稱嵌入方式安裝（圖6）。

圖6 磁鋼嵌入爪極縫隙示意

a.功能。提高了混合勵磁轉子怠速狀態下的磁場強度。

b.組成。磁鋼有鐵氧體與汝鐵硼兩種材料，具體選用牌號見表1。

表1 磁鋼參數對比

2.4.7 轉子總成基本外觀參數

轉子總成主要尺寸見圖7，定義見表2。

表2 轉子總成主要尺寸定義

圖7 轉子總成主要尺寸示意

3 混合勵磁轉子

3.1 混合勵磁轉子磁鋼排布方法

混合勵磁轉子磁鋼的排布方式，使用海爾貝克陣列作為依據，對其進行試驗。最后根據試驗結果，確定其方法的可行性（圖8）。

圖8 磁鋼海爾貝克排列示意

式中，B為強磁場一側表面的磁感應強度；Br為永磁材料的剩余磁感應強度；Bx為在x軸上的磁感應強度分量；By為在y軸上的磁感應強度分量；k為直線型Halbach 陣列的波數；λ為磁體波長；m為每個波長的磁塊數；D為磁塊厚度。

從圖8c 中可以看出，海爾貝克磁體陣列的中垂向磁場，與徑向磁場在磁體上部分相互抵消，垂向磁場與徑向磁場在磁體下部分相互疊加。根據磁路最短原則，磁鐵上方的磁感線都由磁體內部穿過，形成閉合回路，所以上方幾乎沒有磁場強度。

海爾貝克磁體陣列產生的磁場效果，在同等體量下海爾貝克陣列磁體的強側表面磁場強度約為傳統一致排列的倍，尤其在磁體充磁方向厚度在4～16 mm 時。

混合勵磁轉子與傳統轉子的主要區別就是磁鋼，在磁鋼的安裝過程中，經過多次試驗，確定了磁極的方向，對其性能提升影響最大，并做了相應的工藝要求。圖9 為混合勵磁轉子嵌入12 片磁鋼后的磁力線分布示意。

圖9 混合勵磁轉子磁力線分布示意

3.2 混合勵磁轉子工藝難點

混合勵磁轉子在生產過程中，與傳統轉子相比有更高的要求，對電磁場與永磁體磁場磁極的一致性與方向都有相應的要求，在生產過程中，遇到的主要問題有以下3 點。

3.2.1 爪極極性的一致性

爪極磁極的極性，主要由磁場線圈的繞線方向，集電環上下環的極性，以及調節器上下碳刷的極性確定，在生產過程中最容易出現問題的就是集電環的上下環位置反轉，造成爪極極性的改變，這對混合勵磁轉子的性能影響是致命的。經過對不合格品的驗證，磁極反轉的混合勵磁轉子，在發電機測試中，比傳統轉子性能還要低。

為在生產中確保磁極的一致性，對集電環設計進行改進，限制集電環焊點對應的上下滑環位置，并添加醒目標識（圖10）。

圖10 集電環底座上凸臺標識示意

3.2.2 爪極間隙的一致性

相比傳統轉子，混合勵磁轉子爪極間隙的大小精度要求和對稱性要求都更高，爪極間隙的一致性對后續磁鋼的安裝起決定性的作用，爪極間隙不對稱，導致磁鋼過松或著磁鋼無法安裝，直接影響混合勵磁轉子的良品率。

為解決這一點，在轉子入軸壓裝的過程中，使用了一對專門放入間隙的定位塊對間隙和左右一致性進行限位，并在壓裝完成之后，定位塊可順利脫出，檢驗其尺寸后即可進行下一步工藝。

3.2.3 磁鋼磁極的一致性

磁鋼極性的一致性，是在生產過程中不確定因數最多的一個環節，既要保證磁鋼原材料的一致性，又要確保在安裝時，對爪極的磁極方向有明確的判斷，在現有的工藝中，磁鋼只在側面做了極性顏色標識，原材料標識不能保證百分之百正確，在安裝過程并沒有防呆的措施限制，這對后續的檢驗非常不便，導致產品質量無法保障。

為能在這一工序內確定磁鋼極性方向和爪極電磁場方向的正確，設計了一款可用于檢測和安裝的工具（圖11）。

圖11 轉子及磁鋼磁場方向檢驗裝置

結合圖11 對操作方法進行詳細說明。

此工具轉子固定方法參考偏擺儀，先將兩頂座之間的距離調節到合適的開擋，然后使用雙頂尖頂住轉子軸兩端中心孔，由頂座內部彈簧固定轉子不松脫。

在轉子固定完成后，先使用滑軌調節活動架位置，使電刷軸向位置對齊轉子上下環，再使用活動臂滑槽調節電刷中心位置，使其下落時正好接觸集電環上下環。

上述步驟完成后，使用活動架滑槽調節磁極檢測儀測驗頭與轉子爪極的距離，一般在5～10 mm左右，電刷正負極參照對應產品作業指導書設置，通電后，勵磁電流流經磁場線圈形成回路，使前后爪極形成N，S 極，磁極檢測儀上對應極性的信號燈就會亮起，用以判斷爪極極性是否正確[4]。在測量和生產過程中使用簡單方便、檢測結果直觀，提高了檢測準確率和效率。

4 試驗方案

4.1 試驗條件

試驗條件按QC/T 424—1999《汽車用交流發電機電氣特性試驗方法》要求為依據，表3 為基本參數[5]。

表3 試驗基本條件

4.2 試驗設備

本試驗使用朗迪LDFD-3 型發電機性能試驗臺作為試驗設備，圖12 為試驗臺操作臺面，表4 為試驗臺技術指標。

表4 試驗臺技術指標

圖12 朗迪LDFD-3汽車試驗臺

圖13 混合勵磁轉子與傳統轉子輸出電流對比

4.3 試驗樣機

在混合勵磁轉子完成后，做性能對比試驗，是對設計方案實際結果的驗證。試驗用樣機為公司產品，符合QC/T 729—2005《汽車交流發電機技術條件》。使用傳統轉子與混合勵磁轉子在同一臺發電機上做電性能測試，通過對發電機輸出特性曲線與各轉速節點下輸出功率的對比，試驗混合勵磁轉子對發電機功率的提升效果。表5 為3個試驗用轉子總成基本參數，使用傳統轉子，鐵氧體磁鋼混合勵磁轉子和汝鐵硼磁鋼混合勵磁轉子作為對比，試驗對發電機的輸出功率提升效果[6]。

表5 樣機轉子總成參數

4.4 試驗方法

此次試驗主要驗證混合勵磁轉子在安裝完全正確的情況下，對比傳統發電機轉子輸出性能上的提升，輸出特性試驗方法按照QC/T 424—1999 標準執行，測試模式為恒壓（CV），在13.5 V 測試電壓下，發電機3 000 r/min 運行30 min 后，輸出電流處于平穩狀態下，選取8 個不同轉速下電流繪制輸出特性曲線，具體所測參數如表6 所示。

表6 試驗項目

5 試驗數據分析

5.1 數據統計

表7 所示為3 次輸出特性試驗所得數據。

表7 試驗結果

5.2 數據對比及分析

由表8 對比發現，在1 500 r/min 時，混合勵磁轉子相較于傳統轉子，性能提升最大，鐵氧體混合勵磁轉子提升了14.6%的電流值，汝鐵硼混合勵磁轉子提升了82.1%的電流值。鐵氧體混合勵磁轉子在2 500 r/min 時，提升效果最小，相較提升了傳統轉子5.3%，汝鐵硼混合勵磁轉子在4 000 r/min時，提升效果最小，相較傳統轉子提升了13.3%。

表8 輸出電流對比

6 結束語

混合勵磁轉子相較于傳統轉子，在基本尺寸一樣的情況下，有效地利用了爪極間的間隙，在增加磁鋼的情況下，提升了發電機的整體輸出性能。在混合勵磁轉子生產制造的過程中，主要有3個難點，本文中3 個解決方案在已從試驗階段轉為正式生產中應用，初步解決了生產中出現大量尺寸不合格以及性能不達標的情況，并提高了一定的生產效率。在性能測試中，考慮到汝鐵硼的高溫退磁性，在使用熱態性能試驗作為對比之后，相較于傳統轉子，鐵氧體混合勵磁轉子和汝鐵硼混合勵磁轉子都有提升發電機輸出性能的效果，尤其是發動機怠速狀態下，性能提升最多。而汝鐵硼對比鐵氧體，對發電機的輸出性能，有更高的提升效果。