現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)汽車合理發(fā)電方式的探討

薛江鵬，趙升噸，范淑琴，張蜜蜜

（西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049）

現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)汽車合理發(fā)電方式的探討

薛江鵬，趙升噸，范淑琴，張蜜蜜

（西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049）

現(xiàn)有電勵(lì)磁交流發(fā)電機(jī)已不能滿足汽車日益增加的需電量需求，需要開(kāi)發(fā)新型更高效率的發(fā)電機(jī)。文章介紹了汽車用發(fā)電機(jī)的類型及工作原理，運(yùn)用Ansoft Maxwell軟件對(duì)相同結(jié)構(gòu)尺寸的電勵(lì)磁、永磁勵(lì)磁和混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)進(jìn)行有限元仿真，對(duì)比分析了三類電機(jī)的功率因數(shù)和輸出功率。最后，對(duì)汽車發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

爪極發(fā)電機(jī)；混合勵(lì)磁；功率密度

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，汽車的銷量逐年攀升。2016年我國(guó)已實(shí)現(xiàn)汽車銷量2794萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)14.1%，其中，乘用車銷量為2429萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)15.1%；客車銷量為54萬(wàn)輛，同比減少2.0%；卡車銷量為311萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)8.8%。預(yù)計(jì)未來(lái) 5年我國(guó)汽車產(chǎn)銷量將保持近 5%的復(fù)合增速，預(yù)計(jì)至2020年，有望突破3300萬(wàn)輛。

汽車發(fā)電機(jī)是汽車電氣設(shè)備的主要電源，它不僅要為點(diǎn)火系統(tǒng)及其它用電設(shè)備提供電能，還要向蓄電池補(bǔ)充充電，是汽車系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一。另外，汽車發(fā)電機(jī)屬于汽車易損零部件，隨著我國(guó)汽車保有量不斷擴(kuò)大，售后市場(chǎng)對(duì)于汽車發(fā)電機(jī)的需求將不斷地?cái)U(kuò)大。有研究表明，中國(guó)的交流發(fā)電機(jī)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以 7.90%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到31.26億美元。

隨著汽車的電氣化和自動(dòng)化程度的不斷提高，不僅汽車上電機(jī)應(yīng)用的數(shù)量不斷增加，而且對(duì)電機(jī)的性能也提出更高的要求，如體積小、重量輕、噪聲低、耐久性和可靠性等技術(shù)指標(biāo)[1]?，F(xiàn)代汽車的附屬設(shè)備越來(lái)越齊備，從全套空調(diào)、暖風(fēng)系統(tǒng)到閉路彩電、雙通道立體聲音像系統(tǒng)以及新式冷藏、熱藏兩用箱，各種電子儀表的應(yīng)用使得汽車電量需求日益增加，從之前的500W、750W到現(xiàn)在的1500-3000W。雖說(shuō)可以采用功率大的發(fā)電機(jī)，但是由于汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常緊湊，留給發(fā)電機(jī)的安裝空間己經(jīng)很小了，基于上述原因，在原有的機(jī)座號(hào)上，研制一種高功率而體積小的新型發(fā)電機(jī)顯得越來(lái)越必要了。

1 汽車用發(fā)電機(jī)的類型和特點(diǎn)

作為汽車供電系統(tǒng)關(guān)鍵部件之一的汽車發(fā)電機(jī)，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展也有其發(fā)展過(guò)程，它經(jīng)歷了從直流發(fā)電機(jī)—交流發(fā)電機(jī)的發(fā)展過(guò)程[2]。

目前，車輛上普遍安裝的是電勵(lì)磁爪極交流發(fā)電機(jī)，與直流發(fā)電機(jī)相比較，交流發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面最根本的差別是取消了換向器，使得交流發(fā)電機(jī)的性能大大提高。在相同的容量下，交流發(fā)電機(jī)相比于直流發(fā)電機(jī)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[3]。

采用永磁鐵代替電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)中的勵(lì)磁繞組即為永磁爪極發(fā)電機(jī)。永磁爪極發(fā)電機(jī)采用永磁體產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率因數(shù)大的特點(diǎn)，但永磁爪極發(fā)電機(jī)勵(lì)磁無(wú)法調(diào)節(jié)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而升高，不能輸出穩(wěn)定的電壓，因此難于滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)變頻、變速、變負(fù)載的工況。

近年來(lái)，有學(xué)者提出將電勵(lì)磁繞組引入永磁爪極發(fā)電機(jī)構(gòu)成混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)以應(yīng)用于汽車上。相比于永磁爪極發(fā)電機(jī)，混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)減少了永磁體用量，可通過(guò)改變勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)寬轉(zhuǎn)速范圍的調(diào)壓與調(diào)速，控制更為靈活[4]。

2 爪極發(fā)電機(jī)的分類及其工作原理

爪極發(fā)電機(jī)按照勵(lì)磁方式的不同分為：電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)、永磁勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)和混合勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)。

（1）電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的工作原理

圖1所示為電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的工作原理圖。當(dāng)兩個(gè)電刷通電時(shí)，勵(lì)磁電流產(chǎn)生軸向磁通，使得一塊爪極被磁化為N極，另一塊被磁化為S極，從而形成了相互交叉的N、S極，當(dāng)爪極隨著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割定子中的線圈即產(chǎn)生三相交流電，經(jīng)過(guò)硅整流器后轉(zhuǎn)換為直流電存儲(chǔ)在蓄電池中。圖2所示為電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的磁路圖，不同于傳統(tǒng)的徑向磁場(chǎng)和軸向磁場(chǎng)，爪極發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)為橫向磁場(chǎng)。

圖1 電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的工作原理圖

（2）永磁勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的工作原理

與電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的不同在于：使用永磁體代替電勵(lì)磁線圈，永磁體被夾在兩個(gè)爪極之間。圖3所示為永磁勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的磁路圖。

圖2 電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的磁路圖

圖3 永磁勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的磁路圖

（3）混合勵(lì)磁式爪極電機(jī)的工作原理

與電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)相比，除了轉(zhuǎn)子上勵(lì)磁電流提供勵(lì)磁外，還有永磁體提供勵(lì)磁，兩者在氣隙中合成，調(diào)整直流勵(lì)磁即可調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)。圖4所示為混合勵(lì)磁式爪極電機(jī)的磁路圖。

圖4 混合勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的磁路圖

3 三種爪極發(fā)電機(jī)綜合性能對(duì)比分析

為了進(jìn)行對(duì)比，所設(shè)計(jì)三種爪極發(fā)電機(jī)的電學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸均完全相同，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 三種爪極發(fā)電機(jī)的參數(shù)

（1）電勵(lì)磁式和永磁勵(lì)磁式爪極電機(jī)性能對(duì)比

運(yùn)用Ansoft maxwell電磁有限元軟件建立電勵(lì)磁式和永磁勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的三維模型，分析得出兩種發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)。圖5所示為永磁勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下的功率因數(shù)與電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下不同勵(lì)磁電流的功率因數(shù)對(duì)比圖。電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的最大勵(lì)磁電流一般在6A左右，對(duì)比可得電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)始終小于永磁勵(lì)磁式的，因此在電機(jī)容量和體積相同的情況下，電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的輸出功率始終小于永磁勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)。分析其原因主要是電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的漏磁較永磁式發(fā)電機(jī)嚴(yán)重，影響了其功率因數(shù)的提高。但永磁勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)存在勵(lì)磁無(wú)法調(diào)節(jié)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而升高的問(wèn)題，亦難滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工況。

圖5 電勵(lì)磁式和永磁勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)功率因數(shù)對(duì)比

（2）電勵(lì)磁式和混合勵(lì)磁式爪極電機(jī)性能對(duì)比

圖6 功率因數(shù)對(duì)比

圖7 輸出功率對(duì)比

運(yùn)用Ansoft maxwell電磁有限元軟件建立混合勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的三維模型，分析得出其功率因數(shù)和輸出功率，與電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)進(jìn)行對(duì)比。圖6和圖7所示分別為混合勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)與電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下相同勵(lì)磁電流的功率因數(shù)及輸出功率對(duì)比圖。對(duì)比可得在勵(lì)磁電流為6A以下時(shí)，電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)和輸出功率始終小于混合勵(lì)磁式的，勵(lì)磁電流為6A時(shí)，混合勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)比電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)多輸出2438W的功率，因此在電機(jī)體積相同的情況下，混合勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)較電勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)具有更高的能量密度。分析其原因主要是混合勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)由勵(lì)磁繞組和永磁體同時(shí)提供，并且調(diào)整直流勵(lì)磁即可調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，能夠滿足在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)變頻、變速、變負(fù)載的情況下輸出穩(wěn)定電壓的工況。

4 結(jié)論

（1）隨著汽車需電量的日益增加，現(xiàn)有的電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)已經(jīng)不能滿足汽車的需求，需要開(kāi)發(fā)新型更高效率的爪極發(fā)電機(jī)。

（2）相同體積永磁勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)功率因數(shù)高于電勵(lì)磁式的，但是由于永磁勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)不能調(diào)節(jié)，難以適用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工況。

（3）相同體積相同勵(lì)磁電流下混合勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)和輸出功率均高于電勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)，而且通過(guò)調(diào)整直流勵(lì)磁電流即可調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，因此，混合勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)綜合了電勵(lì)磁式和永磁勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有突出優(yōu)勢(shì)，符合汽車發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

[1] 王群京.爪極電機(jī)的結(jié)構(gòu)、理論及應(yīng)用[M].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2003.

[2] 喬?hào)|偉.新型混合勵(lì)磁無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)的研究[D].山東大學(xué),2013.

[3] 倪有源.汽車用爪極發(fā)電機(jī)的分析與研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2006.

[4] 曹金祥.車用爪極發(fā)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r[J].山東工業(yè)技術(shù),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 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-105-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.035

薛江鵬，就讀于西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：51335009）。