车用爪极发电机的发展及展望
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作者: 孙潇
摘 要：该文对现在汽车用爪极发电机结构形式进行了分析，针对当前汽车产业的发展趋势，综合现有车用发电机各自优缺点，得出一种新型的车用混合励磁发电机满足汽车越来越高用电量的需求，同时能减少励磁电流的消耗，保证电压的恒定输出。
关键词：混合励磁 电励磁 永磁 爪极式 汽车
中图分类号：U463.63 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（c）-00-01
发电机作为汽车主要电源之一，为车用电器供电，同时为蓄电池供电。随着汽车工业的发展，发电机也经历了从直流发电机、交流发电机到无刷交流发电机的三个发展阶段。爪极发电机因其制造工艺简单、体积小、质量轻、成本低等优点被广泛应用于汽车工业领域。
爪极发电机目前主要有两种结构形式
（1）电励磁爪极发电机
应用最广泛的车用发电机，即在转子上安装励磁绕组，当给励磁绕组通入励磁电流时会产生励磁磁场。磁通经爪极结构将轴向转化为径向，经过气隙、定子，再回到转子上。定子绕组切割磁感线产生电流。电励磁爪极发电机通过调节励磁电流的大小控制电机内部气隙磁通，实现变负载运转时发电机输出电压的恒定。
此种发电机电压波形良好，且爪极部分机械强度较好、制作简单，但有效磁通受到爪极间气隙的影响，有所降低，因而可能出现低速运转时出力不足的现象，降低发电机的效率。这对于在城市路况上行驶的低速汽车来说，会出现达不到发电机额定输出电压和输出功率的现象，这样势必会增加车载蓄电池的充放电次数，缩短蓄电池的使用寿命。
（2）永磁式爪极发电机
与电励磁爪极发电机相比，体积小、重量轻、比功率大、效率高，且结构简单，没有电刷和换向器，运行安全可靠。但是发电机磁场都是由永磁体产生，电压调节较为困难。而且永磁式爪极发电机的励磁一旦出现故障，在发电机转速较高时，输出电压会急剧上升，造成安全隐患。
现代汽车配备的汽车电器越来越多，耗电量增长迅速，目前典型值为1.5～3 kW[1]。综合以上两种发电机各自存在的不可忽视的问题，势必要求车载发电机进行结构变革来满足汽车对电量的需求，混合励磁发电机便是比较好的解决方案 [2]。
混合励磁爪极式发电机采用永磁体和电磁线圈同时励磁，保留电励磁和永磁体励磁各自优点，可以较好的提高发电机的运行效率[3]。混合励磁发电机的最大优势是在不增加励磁电流的前提下，用永磁体来补偿爪极的漏磁损失，通过调节励磁电流，使得电机内部气隙磁场平滑可调，让发电机在其转速、负载变化范围内可以输出恒定的电压，改善发电机低速时的输出特性，避免了永磁体磁场不可调节的问题[4]。
混合励磁式爪极发电机一般由定子、爪极式转子、整流器、端盖、风扇及带轮等组成。定子槽中嵌入三相对称的定子绕组，一般采用星型联接。爪极式转子包括两块爪极、励磁绕组、磁轭、永磁体及转子轴等结构组成。
目前混合励磁爪极式发电机中永磁体的放置方式有三种：在发电机励磁绕组内放置永磁体、在爪极表面放置永磁体和在爪极与爪极之间放置永磁体，其特点分析见表1。
混合励磁爪极式发电机的工作过程是，转子上同时装有永磁体和电励磁绕组，当在转子的励磁绕组中通入直流电，就会形成一个由永磁体和励磁绕组共同构成的旋转的励磁磁场，定子中的三相对称绕组不断切割旋转磁场，在其电枢绕组中感应出相应的频率相同、幅值相等、相位相差120 °电位角的正弦交流电动势。混合励磁爪极式发电机与普通发电机相比，具有更高的气隙磁密和功率密度，可以在更宽的负载范围内保持输出电压的恒定。
因增加了永磁体结构，气隙磁场不再由电励磁绕组单独提供，那么当输出功率一定时，混合励磁爪极式发电机需要的励磁电流更小，励磁损耗也会大大的降低。混合励磁爪极式发电机的设计方案应考虑以下几点：发电机的本身的安全与性能、永磁材料的选择及放置位置、发电机的加工方法与成本等，基本设计原则为在保证当发电机运行到最高转速且电励磁部分失去调节作用时，永磁磁通所产生的电压小于或等于安全电压。
参考文献
[1] David J.Perreault，IEEE，Vahe Caliskan.Automotive Power Generation and Control[J].IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS，2004，19（3）.
[2] 李新华，刘刚，章国光.汽车混合励磁爪极发电机电流输出能力分析[J].汽车电器，2012（3）：24-28.
[3] 赵朝会，张卓然，秦海鸿.混合励磁电机的结构及原理[M].北京：科学出版社，2010.
[4] 赵朝会，郭环球，杨宁，等.一种新型混合励磁爪极同步发电机结构及特性研究[J].河海大学学报，2007（5）：35-37.
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