內(nèi)燃機(jī)汽車合理發(fā)電方式分析

石瑞東

摘要：隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，在汽車領(lǐng)域也得到了很大的幫助，在汽車發(fā)電領(lǐng)域，現(xiàn)有的電勵(lì)磁交流發(fā)電機(jī)早已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)階段汽車的用電需求。因此為了滿足現(xiàn)代高科技的不斷發(fā)展，智能化汽車越來(lái)越需要效率更高的發(fā)電機(jī)，保障內(nèi)燃機(jī)汽車可以在足夠的電量支持下平穩(wěn)運(yùn)行，為人們的生活帶來(lái)便利，服務(wù)于人民。本文主要探討了汽車發(fā)電機(jī)的各種類型以及相關(guān)原理，并對(duì)電勵(lì)磁、永磁勵(lì)磁和混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)進(jìn)行分析對(duì)比，通過(guò)控制變量法將這三種電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸都控制在相同的標(biāo)準(zhǔn)上，然后通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)探討內(nèi)燃機(jī)汽車合理發(fā)電方式，并對(duì)汽車行業(yè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);汽車發(fā)電;爪極發(fā)電機(jī);混合勵(lì)磁;功率密度

0? 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，科技的發(fā)展，汽車行業(yè)在我國(guó)已經(jīng)取得了很好地成效，汽車已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了人們的生活當(dāng)中，為人們的生活提供了很大的便利性。隨著人們生活質(zhì)量的提高，汽車的銷量也在逐年增加，人們對(duì)于汽車的性能要求也越來(lái)越高，其中備受人們關(guān)注的就是汽車的續(xù)航能力，也就是供電能力。汽車的發(fā)電機(jī)是供應(yīng)汽車設(shè)備的主要電源，它不光需要為設(shè)備提供電能，還需要為電電池充電。但是隨著科技的不斷進(jìn)步，汽車上的電子產(chǎn)品越來(lái)越多，人們的研究方向也從供電需求變成了體積小、重量輕、噪音低等多方面的要求，這就直接導(dǎo)致了對(duì)于發(fā)電機(jī)的要求也變得很高。

1? 汽車用發(fā)電機(jī)的類型和特點(diǎn)

發(fā)電機(jī)作為汽車供電系統(tǒng)關(guān)鍵部件之一，其本身的作用就是維持汽車的正常運(yùn)作以及汽車內(nèi)部電子產(chǎn)品的正常使用，比如空調(diào)、音箱、暖風(fēng)等[1]。在汽車行業(yè)最開始的時(shí)候，汽車內(nèi)部所使用的發(fā)電機(jī)都是直流供電，后來(lái)隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展才逐漸變成交流發(fā)電。在當(dāng)今社會(huì)中市面上的車輛使用的基本都是電勵(lì)磁爪極交流發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與直流發(fā)電機(jī)較為類似但是也存在著些許不同，具體表現(xiàn)為電勵(lì)磁爪極交流發(fā)電機(jī)取消了換向器，這一結(jié)構(gòu)上的設(shè)置讓交流發(fā)電機(jī)的性能得到了很大的提高。同時(shí)因?yàn)槿∠藫Q向器，使得電勵(lì)磁爪極交流發(fā)電機(jī)在容量上也比以往的發(fā)電機(jī)容量小，質(zhì)量也就變得更輕，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，這也是電勵(lì)磁爪極交流發(fā)電機(jī)被廣泛使用的主要原因之一。

永磁爪極發(fā)電機(jī)的組成也是在其他發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝而實(shí)現(xiàn)的，在永磁爪極發(fā)電機(jī)中，主要使用了永磁鐵代替了電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)中的勵(lì)磁繞組，通過(guò)這一個(gè)簡(jiǎn)單的更換實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)的不同性能。在永磁爪極發(fā)電機(jī)中，永磁鐵會(huì)在工作的過(guò)程中產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，所以永磁爪極發(fā)電機(jī)在電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)原有的性能上還具有功率因素較大的特點(diǎn)[2]。但是永磁爪極發(fā)電機(jī)也存在著一些缺點(diǎn)，在永磁爪極發(fā)電機(jī)內(nèi)部的勵(lì)磁無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)隨著電機(jī)在工作過(guò)程中的轉(zhuǎn)速提高而升高，進(jìn)而導(dǎo)致永磁爪極發(fā)電機(jī)輸出的電壓十分不穩(wěn)定，影響發(fā)電機(jī)的正常工作，進(jìn)而影響汽車在使用過(guò)程中的精準(zhǔn)變頻、變速等功能，正因?yàn)槿绱?，汽車生產(chǎn)廠家更愿意選擇電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)作為汽車發(fā)電機(jī)。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的汽車發(fā)電機(jī)的專業(yè)人才對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了研究，專家表明可以用電勵(lì)磁繞組引入永磁爪極發(fā)電機(jī)，從而構(gòu)成混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)，讓二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起并消除缺點(diǎn)，并嘗試將此發(fā)電機(jī)應(yīng)用在汽車之上。從理論和實(shí)踐的研究表明，混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)相比于永磁爪極發(fā)電機(jī)而言，減少了永磁體的用量，同時(shí)還可以通過(guò)改變勵(lì)磁電流改變氣隙磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)寬轉(zhuǎn)速范圍的調(diào)壓和調(diào)速工作，讓整個(gè)發(fā)電機(jī)的控制變得更加靈活[3]。

2? 爪極發(fā)電機(jī)的分類及工作原理

無(wú)論是哪一種發(fā)電機(jī)的構(gòu)造，其本質(zhì)都是爪極發(fā)電機(jī)的原理，只不過(guò)因?yàn)閷I(yè)設(shè)備的添加不同而導(dǎo)致每一種發(fā)電機(jī)的功能也各不相同。爪極發(fā)電機(jī)也存在著很多的種類，主要是根據(jù)勵(lì)磁方式的不同而討論的。詳細(xì)介紹如下：

2.1 電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的工作原理

在電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)中，當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部的兩個(gè)電刷有電流通過(guò)的時(shí)候，勵(lì)磁電流會(huì)產(chǎn)生軸向磁通，這就導(dǎo)致著一塊爪極將會(huì)被磁化為正極，另一塊被磁化的負(fù)極。這就導(dǎo)致著兩塊爪極會(huì)形成一種交叉的正負(fù)極，當(dāng)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，兩塊爪極也會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將會(huì)對(duì)定子中的線圈進(jìn)行切割處理，在切割的過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生三相交流電，這種電能會(huì)通過(guò)硅整流器后轉(zhuǎn)換成直流電，最后在轉(zhuǎn)變成直流電之后將會(huì)被儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)，以便后續(xù)使用。同時(shí)這種工作方式不同于傳統(tǒng)的磁場(chǎng)，具有徑向和軸向之分，電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)為橫向磁場(chǎng)[4]。

2.2 永磁勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的工作原理

永磁勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)和電勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的工作原理不同，主要表現(xiàn)在永磁勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)主要使用永磁體代替了電勵(lì)磁線圈，所以永磁體就會(huì)被夾在兩個(gè)爪極之間，然后發(fā)電原理和電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的工作原理是一樣的。

2.3 混合勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的工作原理

混合勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)除了有轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁電流提供勵(lì)磁之外，還可以通過(guò)永磁體進(jìn)行提供勵(lì)磁，讓兩者在氣隙中合成，如果想要調(diào)整氣隙磁場(chǎng)可以直接通過(guò)調(diào)整直流勵(lì)磁來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。

3? 三種爪極發(fā)電機(jī)綜合性能對(duì)比分析

在進(jìn)行分析之前，需要將三種爪極發(fā)電機(jī)的電學(xué)參數(shù)和機(jī)構(gòu)尺寸都控制在同一規(guī)格之內(nèi)，保證實(shí)驗(yàn)對(duì)比的公平性。

3.1 電勵(lì)磁式和永磁勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)性能對(duì)比

在實(shí)驗(yàn)開始之前首先要考慮的是選擇一種軟件來(lái)對(duì)三種爪極發(fā)電機(jī)進(jìn)行三維建模，為了綜合考慮，本文以Ansoft maxwell電磁有限元軟件進(jìn)行測(cè)試分析。首先需要通過(guò)軟件對(duì)電勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)和永磁勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)的功率因素進(jìn)行分析，并將兩種發(fā)電機(jī)在同一轉(zhuǎn)速下的功率因素進(jìn)行對(duì)比，從而得出結(jié)論。通過(guò)分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的最大勵(lì)磁電流一般都在6A左右，電勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的最大勵(lì)磁電流無(wú)論是在哪一種轉(zhuǎn)速下都比永磁勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的電流小。由此可以得知如果同一型號(hào)的汽車使用相同規(guī)模、體積、容量的電機(jī)，永磁勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)一直高于電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)。根據(jù)正常分析來(lái)講電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的漏磁更加嚴(yán)重，永磁式發(fā)電機(jī)的情況就比較輕微，這在一定程度上影響了電勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)，導(dǎo)致輸出電流不穩(wěn)定，汽車無(wú)法進(jìn)行相關(guān)的專業(yè)技術(shù)操作。據(jù)上文描述，永磁勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁是無(wú)法調(diào)節(jié)的，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將會(huì)隨著電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)速加快而變高，在很大程度上也無(wú)法滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作需求，汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量也得不到很好地保障[6]。

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

同樣使用了Ansoft maxwell電磁有限元軟件對(duì)電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)和混合勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)進(jìn)行了性能分析，并且建立的相關(guān)的三維模型，對(duì)兩種發(fā)電機(jī)的輸出功率因數(shù)和輸出功率進(jìn)行了對(duì)比分析。同樣需要控制兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知?jiǎng)?lì)磁電流保持在6A以下時(shí)，電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的輸出功率因數(shù)和輸出功率是始終低于混合勵(lì)磁式爪極發(fā)動(dòng)機(jī)的。當(dāng)電流正好控制在6A時(shí)，混合勵(lì)磁是發(fā)電機(jī)在工作完成之后產(chǎn)生的功率要比電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率要多將近2400左右W的功率。這個(gè)數(shù)據(jù)不容忽視，這在一定程度上已經(jīng)證明了在電動(dòng)機(jī)體積、容量等外界因素相同的時(shí)候，因?yàn)榛旌蟿?lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)是由勵(lì)磁繞組和永磁體同時(shí)進(jìn)行提供的，同時(shí)還會(huì)調(diào)節(jié)直流勵(lì)磁也就是調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，所以混合勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)的能量密度會(huì)更高。在工作的過(guò)程中，混合勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)可以滿足汽車在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)變頻、變速和變負(fù)載等多種情況始終保持可以穩(wěn)定輸出電壓，對(duì)汽車的保護(hù)和使用都起到了至關(guān)重要的作用[7]。

4? 內(nèi)燃機(jī)汽車發(fā)電方式的未來(lái)預(yù)測(cè)

汽車已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到了人們的日常生活當(dāng)中，無(wú)論是貨物運(yùn)輸還是人們的日常出行都離不開汽車的幫助，在很多時(shí)候汽車也成為了家庭經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征。隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，對(duì)于汽車品質(zhì)的要求也越來(lái)越高，現(xiàn)在和汽車需要具有良好的耗油量、性能以及發(fā)電機(jī)。隨著導(dǎo)航、空調(diào)、音響等電子產(chǎn)品被應(yīng)用到了汽車制造當(dāng)中后，汽車的供電需求得到了很大的考驗(yàn)和挑戰(zhàn)，同時(shí)現(xiàn)在人們的出行距離都較為遙遠(yuǎn)，人們喜歡自駕游去旅行或者進(jìn)行跨省走訪，這就對(duì)汽車發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能有著較高的需求?，F(xiàn)如今我國(guó)的發(fā)電機(jī)水平已經(jīng)發(fā)展的較為成熟但是同其他汽車行業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家而言還具有一定的差距，我國(guó)的混合勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)已經(jīng)滿足了穩(wěn)定輸出電壓、可供汽車可持續(xù)供電的基礎(chǔ)功能。在此基礎(chǔ)上，國(guó)家以及汽車行業(yè)的相關(guān)人員會(huì)繼續(xù)研發(fā)出更加有效、高功能、適合智能化汽車未來(lái)發(fā)展的多功能發(fā)電機(jī)，在保證汽車可平穩(wěn)運(yùn)行和乘客生命安全的前提下，為智能化汽車的未來(lái)發(fā)展做準(zhǔn)備[8]。

對(duì)于汽車行業(yè)來(lái)講，內(nèi)燃機(jī)汽車發(fā)電方式的創(chuàng)新無(wú)疑是具有創(chuàng)新意義的汽車類型，對(duì)于汽車行業(yè)來(lái)講有著重要的意義。汽車行業(yè)的發(fā)展在很大程度上是國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的體現(xiàn)，以日本為例，雖然日本國(guó)土面積較小，但是日本是亞洲最大的汽車制造國(guó)家，日本有很多優(yōu)秀的汽車制造企業(yè)。隨著我國(guó)內(nèi)燃機(jī)汽車發(fā)電方式的不斷研發(fā)，不斷進(jìn)步，未來(lái)將會(huì)有更多的、更有效的發(fā)電方式被開發(fā)出來(lái)，只要我國(guó)一直致力于在這一方面的研究，緊跟時(shí)代發(fā)展的步伐，我國(guó)一定會(huì)成為世界上汽車制造行業(yè)的強(qiáng)國(guó)。汽車內(nèi)燃機(jī)發(fā)電方式的改變?cè)谖磥?lái)的發(fā)展過(guò)程中會(huì)越來(lái)越符合我國(guó)節(jié)能減排戰(zhàn)略的發(fā)展，汽車尾氣污染等問(wèn)題將會(huì)得到有效的解決，我國(guó)的生態(tài)環(huán)境將會(huì)得到改善，相關(guān)的汽車制造企業(yè)也會(huì)得到很好地發(fā)展。

5? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)和人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)于汽車的質(zhì)量、性能以及性價(jià)比的要求越來(lái)越高。正因?yàn)槿绱?，傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)早已經(jīng)不適用于現(xiàn)如今的多功能汽車使用，國(guó)家和汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)該更加注重對(duì)于發(fā)電機(jī)的研究與開發(fā)?；旌蟿?lì)磁式發(fā)電機(jī)具有電勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)和永磁勵(lì)磁式爪極發(fā)電機(jī)兩者的綜合優(yōu)點(diǎn)，可以有效的實(shí)現(xiàn)汽車的多功能要求，同時(shí)可以保證汽車的穩(wěn)定性，保證發(fā)電機(jī)可以正常的工作同時(shí)還可以輸出穩(wěn)定電壓，這一發(fā)電機(jī)的研發(fā)為汽車行業(yè)的未來(lái)發(fā)展奠定了夯實(shí)的基礎(chǔ)，符合汽車的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

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