薛江鹏，赵升吨，范淑琴，张蜜蜜

（西安交通大学，陕西 西安 710049）

现代内燃机汽车合理发电方式的探讨

薛江鹏，赵升吨，范淑琴，张蜜蜜

（西安交通大学，陕西 西安 710049）

现有电励磁交流发电机已不能满足汽车日益增加的需电量需求，需要开发新型更高效率的发电机。文章介绍了汽车用发电机的类型及工作原理，运用Ansoft Maxwell软件对相同结构尺寸的电励磁、永磁励磁和混合励磁爪极发电机进行有限元仿真，对比分析了三类电机的功率因数和输出功率。最后，对汽车发电机的发展趋势进行了预测。

爪极发电机；混合励磁；功率密度

引言

随着经济的增长，汽车的销量逐年攀升。2016年我国已实现汽车销量2794万辆，同比增长14.1%，其中，乘用车销量为2429万辆，同比增长15.1%；客车销量为54万辆，同比减少2.0%；卡车销量为311万辆，同比增长8.8%。预计未来 5年我国汽车产销量将保持近 5%的复合增速，预计至2020年，有望突破3300万辆。

汽车发电机是汽车电气设备的主要电源，它不仅要为点火系统及其它用电设备提供电能，还要向蓄电池补充充电，是汽车系统中的关键部件之一。另外，汽车发电机属于汽车易损零部件，随着我国汽车保有量不断扩大，售后市场对于汽车发电机的需求将不断地扩大。有研究表明，中国的交流发电机市场预计将以 7.90%的年复合增长率增长，预计到2020年将达到31.26亿美元。

随着汽车的电气化和自动化程度的不断提高，不仅汽车上电机应用的数量不断增加，而且对电机的性能也提出更高的要求，如体积小、重量轻、噪声低、耐久性和可靠性等技术指标[1]。现代汽车的附属设备越来越齐备，从全套空调、暖风系统到闭路彩电、双通道立体声音像系统以及新式冷藏、热藏两用箱，各种电子仪表的应用使得汽车电量需求日益增加，从之前的500W、750W到现在的1500-3000W。虽说可以采用功率大的发电机，但是由于汽车内部结构非常紧凑，留给发电机的安装空间己经很小了，基于上述原因，在原有的机座号上，研制一种高功率而体积小的新型发电机显得越来越必要了。

1 汽车用发电机的类型和特点

作为汽车供电系统关键部件之一的汽车发电机，随着汽车工业的发展也有其发展过程，它经历了从直流发电机—交流发电机的发展过程[2]。

目前，车辆上普遍安装的是电励磁爪极交流发电机，与直流发电机相比较，交流发电机在结构方面最根本的差别是取消了换向器，使得交流发电机的性能大大提高。在相同的容量下，交流发电机相比于直流发电机具有体积小、重量轻、结构简单等优点[3]。

采用永磁铁代替电励磁爪极发电机中的励磁绕组即为永磁爪极发电机。永磁爪极发电机采用永磁体产生气隙磁场,具有结构简单、功率因数大的特点，但永磁爪极发电机励磁无法调节，感应电动势随着电机转速的升高而升高，不能输出稳定的电压，因此难于满足汽车发动机变频、变速、变负载的工况。

近年来，有学者提出将电励磁绕组引入永磁爪极发电机构成混合励磁爪极发电机以应用于汽车上。相比于永磁爪极发电机，混合励磁爪极发电机减少了永磁体用量，可通过改变励磁电流调节气隙磁场，实现宽转速范围的调压与调速，控制更为灵活[4]。

2 爪极发电机的分类及其工作原理

爪极发电机按照励磁方式的不同分为：电励磁式爪极发电机、永磁励磁式爪极发电机和混合励磁式爪极发电机。

（1）电励磁式爪极发电机的工作原理

图1所示为电励磁式爪极发电机的工作原理图。当两个电刷通电时，励磁电流产生轴向磁通，使得一块爪极被磁化为N极，另一块被磁化为S极，从而形成了相互交叉的N、S极，当爪极随着转轴旋转时，转子形成的旋转磁场切割定子中的线圈即产生三相交流电，经过硅整流器后转换为直流电存储在蓄电池中。图2所示为电励磁式爪极发电机的磁路图，不同于传统的径向磁场和轴向磁场，爪极发电机的磁场为横向磁场。

图1 电励磁式爪极发电机的工作原理图

（2）永磁励磁式爪极发电机的工作原理

与电励磁式爪极发电机的不同在于：使用永磁体代替电励磁线圈，永磁体被夹在两个爪极之间。图3所示为永磁励磁式爪极发电机的磁路图。

图2 电励磁式爪极发电机的磁路图

图3 永磁励磁式爪极发电机的磁路图

（3）混合励磁式爪极电机的工作原理

与电励磁式爪极发电机相比，除了转子上励磁电流提供励磁外，还有永磁体提供励磁，两者在气隙中合成，调整直流励磁即可调节气隙磁场。图4所示为混合励磁式爪极电机的磁路图。

图4 混合励磁式爪极发电机的磁路图

3 三种爪极发电机综合性能对比分析

为了进行对比，所设计三种爪极发电机的电学参数和结构尺寸均完全相同，具体设计参数如表1所示。

表1 三种爪极发电机的参数

（1）电励磁式和永磁励磁式爪极电机性能对比

运用Ansoft maxwell电磁有限元软件建立电励磁式和永磁励磁式爪极发电机的三维模型，分析得出两种发电机的功率因数。图5所示为永磁励磁式爪极发电机在额定转速下的功率因数与电励磁式爪极发电机额定转速下不同励磁电流的功率因数对比图。电励磁式爪极发电机的最大励磁电流一般在6A左右，对比可得电励磁式爪极发电机的功率因数始终小于永磁励磁式的，因此在电机容量和体积相同的情况下，电励磁式爪极发电机的输出功率始终小于永磁励磁式发电机。分析其原因主要是电励磁式爪极发电机的漏磁较永磁式发电机严重，影响了其功率因数的提高。但永磁励磁式爪极发电机存在励磁无法调节，感应电动势随着电机转速的升高而升高的问题，亦难满足汽车发动机工况。

图5 电励磁式和永磁励磁式爪极发电机功率因数对比

（2）电励磁式和混合励磁式爪极电机性能对比

图6 功率因数对比

图7 输出功率对比

运用Ansoft maxwell电磁有限元软件建立混合励磁式爪极发电机的三维模型，分析得出其功率因数和输出功率，与电励磁爪极发电机进行对比。图6和图7所示分别为混合励磁式爪极发电机与电励磁式爪极发电机在额定转速下相同励磁电流的功率因数及输出功率对比图。对比可得在励磁电流为6A以下时，电励磁式爪极发电机的功率因数和输出功率始终小于混合励磁式的，励磁电流为6A时，混合励磁式发电机比电励磁式爪极发电机多输出2438W的功率，因此在电机体积相同的情况下，混合励磁式爪极发电机较电励磁式发电机具有更高的能量密度。分析其原因主要是混合励磁式发电机的励磁磁场由励磁绕组和永磁体同时提供，并且调整直流励磁即可调节气隙磁场，能够满足在汽车发动机变频、变速、变负载的情况下输出稳定电压的工况。

4 结论

（1）随着汽车需电量的日益增加，现有的电励磁爪极发电机已经不能满足汽车的需求，需要开发新型更高效率的爪极发电机。

（2）相同体积永磁励磁式爪极发电机功率因数高于电励磁式的，但是由于永磁励磁式爪极发电机气隙磁场不能调节，难以适用汽车发动机工况。

（3）相同体积相同励磁电流下混合励磁式爪极发电机的功率因数和输出功率均高于电励磁式发电机，而且通过调整直流励磁电流即可调节气隙磁场，因此，混合励磁式爪极发电机综合了电励磁式和永磁励磁式发电机两者的优点，具有突出优势，符合汽车发电机的发展趋势。

[1] 王群京.爪极电机的结构、理论及应用[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2003.

[2] 乔东伟.新型混合励磁无刷爪极发电机的研究[D].山东大学,2013.

[3] 倪有源.汽车用爪极发电机的分析与研究[D].合肥工业大学,2006.

[4] 曹金祥.车用爪极发电机的发展状况[J].山东工业技术,2016.

Discussion on Reasonable Power Generation Mode of Modern Internal Combustion Engine Vehicle

Xue Jiangpeng, Zhao Shengdun, Fan Shuqin, Zhang Mimi
( Xi'an Jiaotong University, Shannxi Xi'an 710049 )

Existing electric excitation generator can not meet the increasing electricity demand. It is required to develop new higher efficiency generators. In this paper, the type and working principle of the automobile generator are introduced.The power factor and the output power of the three types motors are analyzed in Ansoft Maxwell by using the same structural size. Finally, this paper predicts the development trend of automobile generators.

Claw pole generator; Hybrid excitation; Power density

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-105-03

U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)12-105-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.035

薛江鹏，就读于西安交通大学机械工程学院。

国家自然科学基金重点项目（编号：51335009）。