车用爪极发电机的发展状况
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摘 要：针对电励磁爪极发电机输出功率较低、永磁式爪极发电机磁场不可调节的缺点，提出了一种混合励磁无刷爪极发电机，它可以同时解决上述两种电机存在的不足，不仅能够减少励磁电流的消耗，还能保证输出恒定的电压。本文归纳了车用爪极发电机的类别，分别阐述了其优缺点，并对并联式混合励磁无刷爪极发电机的结构及工作原理进行了阐述，为进一步深入探索和研究混合励磁无刷爪极发电机提供了一定的理论基础和技术参考。
关键词：爪极发电机；混合励磁；无刷；磁场
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.148
发电机是汽车的主要电源，其功能是向汽车上的用电设备提供电能，同时又对蓄电池充电。随着我国综合国力的增强、经济社会的发展，汽车领域发生了日新月异的变化，发电机也经历了从直流到交流再到无刷交流的多个发展阶段[1]。首先，由于汽车数量的增多，导致了道路交通堵塞，使汽车经常起动、且在较长的时间内低速行驶，从而使发电机蓄电池放电量较大，不能输出额定的电压和功率。另一方面，人们对汽车安全性和舒适性的要求越来越高，汽车上电子控制装置和用电设备越来越多，使汽车的耗电量增长迅速，从而导致发电机经常处于超负荷运行，使发电机整个机体温度偏高，长期处于这种状态的话，会减少它的使用年限。
要想完美的解决上述这些缺陷，就得选用功率密度高、大型号的发电机，但是这样不仅会增加原材料的消耗、提高了制造成本，而且汽车内部结构紧凑，空间有限，使发动机在安装、维修等问题上很不方便[2]。因此，在不减少发电机输出功率的条件下，缩小它的体积；或在原来体积的情况下，研发一种更高输出功率的发电机，将成为未来车用发电机领域重点研究的内容和方向。
1 爪极发电机按结构形式可分为以下两类
（1）电励磁爪极发电机。市场上绝大多数汽车上使用的发电机都是普通电励磁有刷爪极发电机，主要是因为它的制造成本低、磁场调节方便。但它的输出功率较低，励磁损耗较大，且它的爪极间很容易漏磁，又没有取消电刷-滑环结构，故障率较高、噪声较大[3]。
（2）永磁式爪极发电机。与普通电励磁爪极发电机不同的是，永磁式爪极发电机的比功率大、输出效率高，最重要的是，它没有采用电刷-滑环结构，运行安全可靠。但由于永磁材料的固有特性，气隙磁场的调节很不方便[4]。
目前，对于车用爪极发电机的研究，国内外学者们提出了一种新的结构――混合励磁无刷爪极发电机，它采用永磁励磁和电励磁相结合的励磁方式，共同产生气隙磁场。该电机综合了电励磁爪极发电机和永磁式爪极发电机各自的优点，在原有励磁电流的基础上，依靠永磁体补偿了爪极间的漏磁损失，解决了电励磁爪极发电机输出功率低的问题；又可通过调节励磁电流来输出恒定的电压，解决了永磁体磁场不可调节的问题。但由于爪极转子的特殊结构，导致其磁路复杂、不规则，具有明显的三维特性，因而需采用计算精度高的三维有限元方法进行分析求解[5]。
2 混合励磁爪极发电机
根据永磁磁场与电励磁磁场的串并联关系以及有无电刷-滑环结构可分为以下四类：（1）串联式有刷爪极电机。在两个爪极间的中心轴上，放置一块圆饼状永磁体，该永磁体采用轴向充磁，使其产生的磁力线从爪极间通过，从而得到连续的磁通。此电机的两个磁场形成串联结构，但由于永磁体本身的磁阻很大，继而导致调节磁场所需的励磁电流也很大，因此，这种放置会使永磁体不可逆退磁。且采用电刷-滑环结构，发电机的稳定性和可靠性大大降低；（2）并联式有刷爪极电机。把一块切向充磁的永磁体加入到传统电励磁有刷爪极发电机的相邻两个爪极之间，该发电机的电励磁磁场与永磁磁场形成并联结构，该结构与传统的爪极发电机相比，虽减少了爪极之间的漏磁，但由于永磁体的加入，使一对爪极下的磁场发生偏斜，没有充分利用永磁体的优点，使得发电机的气隙磁密不高。此外，该电机与串联式有刷爪极电机一样，没有实现发电机的无刷化，工作可靠性不高；（3）串联式无刷爪极电机。在转子爪极的外极面和相邻爪极之间，放置一块圆环形永磁体，该永磁体采用轴向充磁，此电机的电励磁磁场与永磁磁场是串联关系，与串联式有刷爪极电机相同，都可能导致永磁体出现不可逆退磁；（4）并联式无刷爪极电机。该电机的电励磁磁场与永磁磁场形成并联关系，且采用无刷结构，弥补了上述三种电机各自的不足。转子由两个焊接在一起的爪极组成，这两爪极中一个极掌上有较大的内孔，另一个跟转轴相连。电机端盖上固定着励磁支架，励磁绕组绕在励磁支架的上面，它俩都伸入到爪极内部。
3 并联式混合励磁无刷爪极发电机的结构组成及工作原理
结构组成：定子、爪极式转子、励磁支架、整流器、端盖等。定子由有槽铁心和三相对称绕组组成，与普通三相交流发电机相同，一般采用星型联接。爪极式转子由两个焊接在一起的爪极、励磁绕组、磁轭、永磁体及转子轴等结构组成。
发电原理：当给发电机的励磁绕组中通入直流电时，会形成一个旋转的励磁磁场，该磁场由励磁绕组和永磁体共同产生，爪极式转子在发动机的带动下不停的旋转，定子中的三相对称绕组切割旋转的磁场，从而感应出频率相同、幅值相等、相位相差120°电位角的正弦三相交流电动势。
整流原理：由于定子的三相绕组感应产生的是交流电，整流器的作用是将交流电转换成直流电，是靠六只二极管组成的三相桥式整流电路完成的。在车用发电机中，大部分的整流器都采用这种整流电路，又由于蓄电池具有电容的功能，故输出的直流电压波形较平坦。
4 结论
本文详细介绍了车用爪极发电机的分类情况，综合阐述了各自的优缺点，得知并联式混合励磁无刷爪极发电机不仅能够减少励磁电流的消耗，还能保证输出恒定的电压，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]孙潇.车用爪极发电机的发展及展望[J].科技创新导报，2013（09）81.
[2]王远兵.车用混合励磁爪极发电机的有限元分析和研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.
[3]乔东伟，王秀和，朱常青.环形永磁体夹置式混合励磁无刷爪极发电机的研究[J].电机与控制学报，2014，18（05）：30-35.
[4]乔东伟.新型混合励磁无刷爪极发电机的研究[D].山东：山东大学，2013.
[5]倪有源，王群京，张学.爪极发电机空载漏磁计算[J].中国电机工程学报，2008，28（17）：132-137.
作者简介：曹金祥（1992-），男，辽宁大石桥人，硕士研究生，主要从事：汽车制造过程优化、管理与仿真研究。
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